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CPLD芯片EPM7128在DSP芯片TMS320LF2407A系统中电平转换

来源:龙人计算机研究所 作者:站长 时间:2009-10-08 14:15:17

1. EPM7128SLC84-15简述

EPM7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S 系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device);采用CMOS E2PROM工艺,传输延迟仅为5ns;内部具有丰富的资源--128个触发器、2500个用户可编程门;而且具有68个用户可编程的IO口,为系统定义输入、输出和双向口提供了极大的方便;为了比较适合混合电压系统,通过配置,输入引脚可以兼容3.3V/5V逻辑电平,输出可以配置为3.3V/5V逻辑电平输出。EPM7128同时还提供了JTAG接口,可进行ISP编程,极大地方便了用户。

2. 电源设计

TMS320LF2407A的工作电压是3.3V,而系统中许多常用外围器件的主要工作电压通常都是5V,因此以TMS320LF2407A为核心构成的应用系统必然是一个混合电压系统。系统中不仅要求有3.3V的电源,还要求有5V的电源。设计的目标就是减少所需电源的数目,并减少产生这些电源电压所需器件的数目。为了减少多电源所需的额外器件的数目,不少厂家提供了产生多种电压的芯片。同时,随着技术的不断进步,将会出现更多的低电压器件,从而逐渐消除对多电源的要求和产生这些电源的花费和复杂性。 对于TMS320LF2407A应用系统而言,首先要解决的就是3.3V电源问题。解决3.3V电源通常有以下几种方案。

2.1 电阻分压

利用电阻分压的方法,其原理如图1所示。其成本比较低并且结构简单,可以作为一种应急的方案。但是,该电路实际的输出电压显然要小于3.3V,并且随着负载的变化,输出电压也会产生波动。此外,这种电路的无功功耗也比较大。

2.2 直接采用电源模块

考虑到开关电源设计的复杂性,一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块。这些模块可靠性和效率都很高,电磁辐射小,而且许多模块还可以实现电源隔离。这些电源模块使用方便,只需增加很少的外围元件,但是价格比较昂贵。

2.3 利用线性稳压电源转换芯片

线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片,基本上不需要外围元件。但是传统的线性稳压器,如LM317,要求输入电压比输出电压高2V或者更大,否则就不能够正常工作。因此对于5V的输入,输出并不能够达到3.3V。面对低压电源的需求,许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片的压差只有1.3V~0.2V,可以实现5V转3.3V的要求。LDO所需的外围器件数目少、使用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。例如,TI公司的TPS73xx系列就是TI公司为配合DSP而设计的电源转换芯片,其输出电流可以达到500mA,且接口电路非常简单,只需接上必要的外围电阻,就可以实现电源转换。该系列分为固定电压输出的芯片和可调电压输出的芯片,但这种芯片通常效率不是很高。

综合几种电源的优缺点,DSP系统采用LDO芯片TPS7333。此芯片是TI公司专门为3.3V低压系统设计的,它是固定输出3.3V,且有上电产生DSP系统复位所需的信号。此外它输出电流可达几百毫安,输出功率完全能够满足系统所需。具体电路如图2所示。

3. TMS320LF2407A逻辑接口设计

3.1 各种电平的转换标准

在进行DSP系统设计时,除了DSP和CPLD本身外,还有很多外围的模块和芯片,比如键盘显示接口芯片(82C79)、D/A、A/D、I2C等。这些可归成两类--输入5V TTL电平和5V CMOS电平。因此就存在一个如何将DSP与这些芯片或模块可靠接口的问题。

图3所列为5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL电平的转换标准。其中,VOH表示输出高电平的最低电压,VIH表示输入高电平的最低电压,VIL表示输入低电平的最高电压,VOL表示输出低电平最高电压。从表1中可以看出,5V TTL和3.3V的转换标准是一样的,而5V CMOS的转换标准是不同的。因此,在将3.3V系统与5V系统接口时,必须考虑到两者的不同。

在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件互相接口时存在以下几个问题。

① 加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的,这些引脚由二极管或者分离元件接到VCC。如果接入的信号电压过高,则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3.3V器件的输入端加上5V的信号,则5V电源会向3.3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。

② 两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电时,3.3V电源降到0V,大电流将流通到地。这使得总线上的高电压被下拉到地,引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是:不管在3.3V的工作状态还是在0V的等待状态,都不允许电流流向VCC。

③ 接口输入转换门限问题。用5V的器件驱动3.3V的器件有很多不同的情况,同样TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以确保不损坏电路元件。

3.2 DSP(TMS320LF2407A)与5V电平接口的4种情形

在DSP混合电压系统中,有下面4种不同的情况需考虑:

① DSP(TMS320LF2407A)驱动5V TTL器件(直接相连)。由于 3.3V器件的VOH和VOL电平分别是2.4V和0.4V,5V TTL器件的VIH 和VIL 电平分别是2V和0.8V;而TMS320LF2407A实际上能输出3V摆幅电压,显然5V TTL器件能够正确识别TMS320LF2407A的输入电平。

② 5V TTL器件驱动TMS320LF2407A(不能直接连接)。TMS320LF2407A的典型工作电压是3.3V,其I/O口的电平也是3.3V。在进行外围接口设计时,如果外围器件的工作电压是5V,其输出电压会大于DSP的电源电压,这样就会向3.3V电源灌电流,损坏TMS320LF2407A,所以这是绝对不可直接相连的。由于CPLD(EMP7128)有5V容限,所以可以与5V TTL器件直接连接。而CPLD(EPM7128)可以配置为3.3V输出,其输出可以被TMS320LF2407A所接受,所以TMS320LF2407A需经过CPLD(EPM7128)才能与5V TTL器件相连,接受输入信号。

③ 5V CMOS器件驱动TMS320LF2407A(需经过EPM7128电平转换)。分析同上,5V CMOS器件不可以直接驱动TMS320LF2407A。通过比较5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的转换电平可以看出,虽然两者存在一定的差别,但是能够承受5V电压的3.3V器件可以正确识别5V器件送来的电平值。所以能够承受5V电压的3.3V 器件的输入端可以直接与5V器件的输出端接口。CPLD(EPM7128)有5V容限,故能直接与5V器件的输出端接口,而它的输出是3.3V TTL电平,可以被DSP(TMS320LF2407A)接受。

④DSP(TMS320LF2407A)驱动5V CMOS(不能直接相连)。3.3V与5V CMOS的电平转换标准是不一样的。从图3中可以看出,3.3V输出的高电压的最低电压值VOH = 2.4V(输出的最高电压可以达到3.3V),而5V CMOS器件要求的高电平最低电压VIH = 3.5V,因此TMS320LF2407A的输出不能直接驱动5V CMOS器件。为此必须做些处理。最通用的方法就是,使用电平接口转换芯片实现3.3V与5V电平的相互转换。可以采用双电压(一边是3.3V,另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片,可以较好地解决3.3V与5V电平的转换问题。也可以通过CPLD,利用CPLD输出口设置OC(集电极开路),外接一个电阻上拉到5V,这样就可以驱动5V CMOS器件,只是逻辑反向了而已。

3.3 本系统所采用的转换接口

由于EMP7128具有混合电压特性,VCCINT接5V,输入口的逻辑电平范围为TTL,因此它能够兼容3.3V/5V输入。输出口的逻辑电平范围为0V~VCCIO,VCCIO可以接3.3V或者5V。本DSP系统就采用EMP7128作为逻辑电平转换接口,使输入配置为5V,输出配置为3.3V,对于一些输出驱动5V COMS器件的IO口,配置输出口为OC门,外接上拉电阻,拉到5V电压,只是编程中要注意输出口的逻辑反向。系统电路原理图如图4所示:

4. 结论

经过实际应用证明应用CPLD(EMP7128)配置输入引脚兼容3.3V/5V逻辑电平和输出为3.3V/5V逻辑电平,使DSP(TMS320LF2407A)系统可以与5V TTL和5V COMS电平顺利接口。经过CPLD(EMP7128)使DSP(TMS320LF2407A)的3.3V电压系统与5V器件构成一个混合电压系统,确保了系统的安全性及可靠性,并且由于EPM7128的可编程特性使得系统连接具有易改性和保密性。

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