3V單片機與5V電路的接口設(shè)計

高旭彬

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在現(xiàn)代煤礦自動化及電控產(chǎn)品中，越來越多的使用單片機等智能控制器件，以MSP430 單片機為例。該單片機具有功耗低、工作溫度范圍寬、集成外設(shè)豐富的優(yōu)點，在電池供電設(shè)備、便攜式設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。但是該單片機工作電壓為3V，與現(xiàn)有的很多5V外圍電路或器件，例如RS485 驅(qū)動器、LCD 驅(qū)動器等，在邏輯電平上存在一定差異，必須進行邏輯電平轉(zhuǎn)換。

盡管用于邏輯電平轉(zhuǎn)換的接口電路很容易實現(xiàn)，但在設(shè)計中也應(yīng)當考慮一些限制條件，否則會導(dǎo)致邏輯錯誤。本文對這種接口電路的設(shè)計原則進行探討，并給出一些簡單的計算公式供參考。

1 5V 輸出-3V 輸入接口

接口有同相接口和反相接口，最簡單的同相接口是電阻分壓式接口，最簡單的反相接口是三極管式接口。

1.1 電阻分壓式接口

圖1 電阻分壓式接口Fig.1 The voltage division with resistance type interface

電阻分壓式接口電路如圖1所示，這種電路很簡單，只需要兩只電阻R1和R2，但在確定其阻值時需要考慮下面的限制條件。

（1）限制條件及要求：一是考慮到單片機端口漏電流Ilkg[2]的影響， 要求二是當5V 電路輸出為高電平時，在單片機端口上產(chǎn)生的高電平輸入電壓應(yīng)當高于其高電平輸入門限最大值 VIT+（max）。對于這一要求，最不利的條件是所產(chǎn)生的高電平輸入電壓是其最低值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的高電平是其最低值V（5V）Hmin；電阻R1的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值R1max，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最小值R2min。假如用R1和R2 分別代表兩個電阻的標稱值，并用p 表示它們的最大相對誤差， 則 R1max=R1（1+p）R2min=R2（1+p）。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當保證VIT+（max）；三是當5V 電路輸出為低電平時， 在單片機端口上產(chǎn)生的低電平輸入電壓應(yīng)當?shù)陀谄涞碗娖捷斎腴T限最小值VIT-（min）。對于這一要求，最不利的條件是，所產(chǎn)生的低電平輸入電壓是其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的低電平是其最高值V（5V）Lmax；電阻R1的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值R1min，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最大值R2max。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當保證四是在任何情況下，在單片機端口上產(chǎn)生的輸入電壓都應(yīng)當?shù)陀谄漭斎腚妷鹤罡咴试S值，即低于單片機實際電源電壓+0.3V。對于這一要求，最不利的條件是，所產(chǎn)生的輸入電壓是其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出高電平并且是其最高輸出值V（5V）Hmax；電阻R1的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值R1min，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最大值R2max。供給單片機的實際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最小值 VCC（3V）min。 因此，為滿足這一要求， 應(yīng)當保證五是在任何情況下，在單片機端口上產(chǎn)生的輸入電壓都應(yīng)當高于其輸入電壓最低允許值，即-0.3V。對于單電源5V 電路來說，由于輸出電壓不會出現(xiàn)負值，所以，這一條件都能夠滿足。

（2）設(shè)計公式。為了便于設(shè)計計算，可以把上述要求歸納為如下公式。

式中：R1和R2 均代表電阻的標稱值。

1.2 三極管式接口

圖2 三極管式接口Fig.2 The transistor type interface

三極管式接口電路如圖2所示，在設(shè)計這種接口時需要考慮以下幾個限制條件。

（1）限制條件及要求。考慮到單片機端口漏電流Ilkg和三極管截止漏電流ICEO的影響，要求當三極管截止時，因漏電流而形成的單片機端口輸入電壓應(yīng)當高于其高電平輸 入 門 限 最 大 值 VIT+（max）。對于這一要求，最不利的條件是，在單片機端口上所形成的高電平輸入電壓是其最低值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：

供給單片機的實際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最小值VCC（3V）min；電阻Rc的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值Rcmax。 因此，為滿足這一要求， 應(yīng)當保證 Rcmax·（Ilkg+ICEO） ＜VCC（3V）min-VIT+（max）。

當5V 電路輸出低電平時，三極管應(yīng)當可靠截止，即三極管的輸入電壓應(yīng)小于其截止電壓Vbe（off）。對于這一要求，最不利的條件是，在三極管基極上產(chǎn)生的低電平輸入電壓為其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：

5V 電路輸出的低電平是其最高值 V（5V）Lmax；電阻 Ra的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值Ramin，而電阻Rb是它誤差范圍內(nèi)的最大值Rbmax。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當保證

當5V 電路輸出高電平時，三極管應(yīng)當可靠導(dǎo)通，即三極管的集電極電流應(yīng)當使單片機端口的輸入電壓低于其低電平輸入門限最小值 VIT-（min）。

對于這一要求，最不利的條件是，在單片機端口上產(chǎn)生的低電平輸入電壓為其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的高電平是其最低值V（5V）Hmin；電阻Ra的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值Ramax，而電阻Rb是它誤差范圍內(nèi)的最小值Rbmin。三極管的放大倍數(shù)是其最小值βmin；電阻Rc的實際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值Rcmin；供給單片機的實際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最大值 VCC（3V）max。 因此，為滿足這一要求，應(yīng)當保

證 Rcmin·Ib·（1+βmin）＞VCC（3V）max-VIT-（min），其中

設(shè)計公式。可以把上述要求歸納為如下公式：對于條件1：

對于條件2：

對于條件3：

式中：Ra、Rb和Rc 均代表電阻的標稱值。

2 3V 輸出-5V 輸入接口

最簡單的同相接口是直通方式，最簡單的反相接口是三極管式接口。

2.1 直通方式

直通方式就是讓3V 電路的輸出與5V 電路的輸入直接連接，在很多情況下這是完全可行的，比如MSP430F1232與sn65hvd3082e：MSP430F1232 輸出的高電平最低值為Vcc-0.6V（當Vcc 是其最低值2.7V時，等于2.1V），低電平最高值為0.6V；而sn65hvd3082e 輸入的高電平最低允許值是2V[3]，低電平最高允許值0.8V。顯然2.1V＞2V，0.6V＜0.8V，所以直接連接完全能夠滿足要求。

2.2 三極管式接口

對于3V 輸出/5V 輸入來說，只有需要反相連接時才會采用三極管式接口，其要求等需要考慮的內(nèi)容與5V 輸出/3V 輸入的情況類似，所以這里就不再贅述。

另外說明一點，需要反相連接時，除采用三極管式接口之外，還可以采用插入3V 或5V 反相器的辦法來實現(xiàn)，這樣，3V輸出與5V 反相器，或3V 反相器與5V 輸入之間就可以采用直通方式。

3 示例

下面給出一個5V 輸出/3V 輸入的電阻分壓式接口示例，5V 電路是RS485 芯片sn65hvd3082e，3V 單片機是MSP430F1232。

假設(shè) 5V 電路的供電電壓為 5V ±10%，那么， V（5V）Hmax—5V 電路可能輸出的高電平最高值，為5.5V；從sn65hvd3082e的Datasheet 中還可以查到以下相關(guān)參數(shù)：V（5V）Hmin—5V 電路（sn65hvd3082e）輸出的高電平最低值，為 4.0V；V（5V）Lmax—5V 電路（sn65hvd3082e）輸出的低電平最高值，為0.4V。假設(shè)單片機電源電壓為3V ±10%，那么 VCC（3V）—單片機額定電源電壓， 為 3.0V。 VCC（3V）min—單片機電源電壓最小值，為2.7V。

從MSP430F1232的Datasheet 中可以查到以下相關(guān)參數(shù)（電源電壓為 3V 時）：VIT+（max）—單片機端口的高電平輸入最高門限值為1.9V；VIT-（min）—單片機端口的低電平輸入最低門限值為0.9V；Ilkg—單片機端口的漏電流±50nA。

4 結(jié)束語

通過對接口電路極限參數(shù)的分析、計算，并考慮了元件的誤差影響，給出了電路參數(shù)的計算、驗證公式。便于快速、準確地驗證電路設(shè)計和確定電路參數(shù)。

[1]童詩白,等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]Texas Instruments Incorporated.MSP430x12x Mixed Signal Microcontroller，2003.

[3]Texas Instruments Incorporated.LOW-Power RS-485 Transceiver，2004.