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      CPLD芯片EPM7128在DSP芯片TMS320LF2407A系統中電平轉換

      1. EPM7128SLC84-15簡述

      EPM7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S 系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device);采用CMOS E2PROM工藝,傳輸延遲僅為5ns;內部具有豐富的資源--128個觸發器、2500個用戶可編程門;而且具有68個用戶可編程的IO口,為系統定義輸入、輸出和雙向口提供了極大的方便;為了比較適合混合電壓系統,通過配置,輸入引腳可以兼容3.3V/5V邏輯電平,輸出可以配置為3.3V/5V邏輯電平輸出。EPM7128同時還提供了JTAG接口,可進行ISP編程,極大地方便了用戶。

      2. 電源設計

      TMS320LF2407A的工作電壓是3.3V,而系統中許多常用外圍器件的主要工作電壓通常都是5V,因此以TMS320LF2407A為核心構成的應用系統必然是一個混合電壓系統。系統中不僅要求有3.3V的電源,還要求有5V的電源。設計的目標就是減少所需電源的數目,并減少產生這些電源電壓所需器件的數目。為了減少多電源所需的額外器件的數目,不少廠家提供了產生多種電壓的芯片。同時,隨著技術的不斷進步,將會出現更多的低電壓器件,從而逐漸消除對多電源的要求和產生這些電源的花費和復雜性。 對于TMS320LF2407A應用系統而言,首先要解決的就是3.3V電源問題。解決3.3V電源通常有以下幾種方案。

      2.1 電阻分壓

      利用電阻分壓的方法,其原理如圖1所示。其成本比較低并且結構簡單,可以作為一種應急的方案。但是,該電路實際的輸出電壓顯然要小于3.3V,并且隨著負載的變化,輸出電壓也會產生波動。此外,這種電路的無功功耗也比較大。

      2.2 直接采用電源模塊

      考慮到開關電源設計的復雜性,一些公司推出了基于開關電源技術的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高,電磁輻射小,而且許多模塊還可以實現電源隔離。這些電源模塊使用方便,只需增加很少的外圍元件,但是價格比較昂貴。

      2.3 利用線性穩壓電源轉換芯片

      線性穩壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片,基本上不需要外圍元件。但是傳統的線性穩壓器,如LM317,要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大,否則就不能夠正常工作。因此對于5V的輸入,輸出并不能夠達到3.3V。面對低壓電源的需求,許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1.3V~0.2V,可以實現5V轉3.3V的要求。LDO所需的外圍器件數目少、使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如,TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設計的電源轉換芯片,其輸出電流可以達到500mA,且接口電路非常簡單,只需接上必要的外圍電阻,就可以實現電源轉換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調電壓輸出的芯片,但這種芯片通常效率不是很高。

      綜合幾種電源的優缺點,DSP系統采用LDO芯片TPS7333。此芯片是TI公司專門為3.3V低壓系統設計的,它是固定輸出3.3V,且有上電產生DSP系統復位所需的信號。此外它輸出電流可達幾百毫安,輸出功率完全能夠滿足系統所需。具體電路如圖2所示。

      3. TMS320LF2407A邏輯接口設計

      3.1 各種電平的轉換標準

      在進行DSP系統設計時,除了DSP和CPLD本身外,還有很多外圍的模塊和芯片,比如鍵盤顯示接口芯片(82C79)、D/A、A/D、I2C等。這些可歸成兩類--輸入5V TTL電平和5V CMOS電平。因此就存在一個如何將DSP與這些芯片或模塊可靠接口的問題。

      圖3所列為5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL電平的轉換標準。其中,VOH表示輸出高電平的最低電壓,VIH表示輸入高電平的最低電壓,VIL表示輸入低電平的最高電壓,VOL表示輸出低電平最高電壓。從表1中可以看出,5V TTL和3.3V的轉換標準是一樣的,而5V CMOS的轉換標準是不同的。因此,在將3.3V系統與5V系統接口時,必須考慮到兩者的不同。

      在混合電壓系統中,不同電源電壓的邏輯器件互相接口時存在以下幾個問題。

      ① 加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的,這些引腳由二極管或者分離元件接到VCC。如果接入的信號電壓過高,則電流將會通過二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端加上5V的信號,則5V電源會向3.3V電源充電。持續的電流將會損壞二極管和其它電路元件。

      ② 兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電時,3.3V電源降到0V,大電流將流通到地。這使得總線上的高電壓被下拉到地,引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是:不管在3.3V的工作狀態還是在0V的等待狀態,都不允許電流流向VCC。

      ③ 接口輸入轉換門限問題。用5V的器件驅動3.3V的器件有很多不同的情況,同樣TTL和CMOS間的轉換電平也存在著不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平,并且要有足夠的容限以確保不損壞電路元件。

      3.2 DSP(TMS320LF2407A)與5V電平接口的4種情形

      在DSP混合電壓系統中,有下面4種不同的情況需考慮:

      ① DSP(TMS320LF2407A)驅動5V TTL器件(直接相連)。由于 3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V,5V TTL器件的VIH 和VIL 電平分別是2V和0.8V;而TMS320LF2407A實際上能輸出3V擺幅電壓,顯然5V TTL器件能夠正確識別TMS320LF2407A的輸入電平。

      ② 5V TTL器件驅動TMS320LF2407A(不能直接連接)。TMS320LF2407A的典型工作電壓是3.3V,其I/O口的電平也是3.3V。在進行外圍接口設計時,如果外圍器件的工作電壓是5V,其輸出電壓會大于DSP的電源電壓,這樣就會向3.3V電源灌電流,損壞TMS320LF2407A,所以這是絕對不可直接相連的。由于CPLD(EMP7128)有5V容限,所以可以與5V TTL器件直接連接。而CPLD(EPM7128)可以配置為3.3V輸出,其輸出可以被TMS320LF2407A所接受,所以TMS320LF2407A需經過CPLD(EPM7128)才能與5V TTL器件相連,接受輸入信號。

      ③ 5V CMOS器件驅動TMS320LF2407A(需經過EPM7128電平轉換)。分析同上,5V CMOS器件不可以直接驅動TMS320LF2407A。通過比較5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的轉換電平可以看出,雖然兩者存在一定的差別,但是能夠承受5V電壓的3.3V器件可以正確識別5V器件送來的電平值。所以能夠承受5V電壓的3.3V 器件的輸入端可以直接與5V器件的輸出端接口。CPLD(EPM7128)有5V容限,故能直接與5V器件的輸出端接口,而它的輸出是3.3V TTL電平,可以被DSP(TMS320LF2407A)接受。

      ④DSP(TMS320LF2407A)驅動5V CMOS(不能直接相連)。3.3V與5V CMOS的電平轉換標準是不一樣的。從圖3中可以看出,3.3V輸出的高電壓的最低電壓值VOH = 2.4V(輸出的最高電壓可以達到3.3V),而5V CMOS器件要求的高電平最低電壓VIH = 3.5V,因此TMS320LF2407A的輸出不能直接驅動5V CMOS器件。為此必須做些處理。最通用的方法就是,使用電平接口轉換芯片實現3.3V與5V電平的相互轉換??梢圆捎秒p電壓(一邊是3.3V,另一邊是5V)供電的雙向驅動器來實現電平轉換。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片,可以較好地解決3.3V與5V電平的轉換問題。也可以通過CPLD,利用CPLD輸出口設置OC(集電極開路),外接一個電阻上拉到5V,這樣就可以驅動5V CMOS器件,只是邏輯反向了而已。

      3.3 本系統所采用的轉換接口

      由于EMP7128具有混合電壓特性,VCCINT接5V,輸入口的邏輯電平范圍為TTL,因此它能夠兼容3.3V/5V輸入。輸出口的邏輯電平范圍為0V~VCCIO,VCCIO可以接3.3V或者5V。本DSP系統就采用EMP7128作為邏輯電平轉換接口,使輸入配置為5V,輸出配置為3.3V,對于一些輸出驅動5V COMS器件的IO口,配置輸出口為OC門,外接上拉電阻,拉到5V電壓,只是編程中要注意輸出口的邏輯反向。系統電路原理圖如圖4所示:

      4. 結論

      經過實際應用證明應用CPLD(EMP7128)配置輸入引腳兼容3.3V/5V邏輯電平和輸出為3.3V/5V邏輯電平,使DSP(TMS320LF2407A)系統可以與5V TTL和5V COMS電平順利接口。經過CPLD(EMP7128)使DSP(TMS320LF2407A)的3.3V電壓系統與5V器件構成一個混合電壓系統,確保了系統的安全性及可靠性,并且由于EPM7128的可編程特性使得系統連接具有易改性和保密性。


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