• AVR
• микроконтр
• Система
• Архитектура
• ATmega128
• 7/16-битный

Подключение 3 вольтовых микроконтроллеров MSP430 к 5-вольтовым схемам

Аннотация

В этом примере применения рассматривается подключение 3 вольтовых микроконтроллеров MSP430x1xx и MSP430x4xx к схемам с питанием 5В или выше. Описано согласование входов, выходов и двунаправленных линий. Там, где это необходимо, даются примеры расчётов. Также показаны примеры построения простых источников питания на оба напряжения.

1 Введение

Современные микроконтроллеры MSP430, например, семейства MSP430x1xx и MSP430x4xx работают в диапазоне питающих напряжений от 1.8В до 3.6В. Это обусловлено используемым технологическим процессом и имеет ряд преимуществ, в частности – микроконтроллеры этих серий потребляют меньший ток, чем 5-вольтовые MSP430C3xx.

Сложности возникают при необходимости сопряжения таких устройств с 5-вольтовыми или ещё более высоковольтными схемами. В этом примере применения показано, как согласовать 5-вольтовые интерфейсы со входами, выходами и двунаправленными линиями микроконтроллеров MSP430. На рис. 1 показаны примеры таких согласований. В этом примере рассматриваются устройства, помеченные на рисунке тёмно-серым цветом.

Примечания:

1. Далее по тексту термин MSP430 означает микроконтроллеры семейств MSP430x1xx и MSP430x4xx.
2. Приведенные формулы для внешнего источника питания V(sys) также справедливы и могут быть использованы для напряжений выше, чем 5В. Их можно использовать для любых уровней внешнего напряжения, например, V(sys) = 12 V.

В формулах будут использованы следующие замены для упрощения вычислений при малых значениях ax (например, для начального разброса p)

При таких заменах ошибка будет ничтожной при |ax| < 0.1.

2 Определения

2.1 Значения из спецификаций MSP430

Численные значения для расчётов наихудших случаев взяты из [4]. Если не указано иное, значения приведены при DVCC = 3 V:

Примечание: Выходное сопротивление rDS(on) выходов MSP430x4xx во внимание не принимается, ввиду выбора высокоомных резисторов в расчётах. По сравнению со значениями используемых резисторов выходное сопротивление rDS(on) ( не более 167 ?) пренебрежительно мало.

2.2 определения для внешней системы

3 Входные преобразователи

Показанные входные преобразователи в первую очередь рассчитаны на согласование 5-ти и 3-вольтовых систем. Тем не менее, их также можно применять и при более высоких значениях внешнего питания, например, для согласования входа микроконтроллера MSP430 с 12-вольтовыми сигналами.

3.1 Входные преобразователи на резистивных делителях

Внешний цифровой уровень VI(sys) подаётся на MSP430. Формулы для наихудших случаев для расчёта резисторов R1 и R2 показанных на рис.2:

Первые два неравенства обеспечивают превышение входным напряжением VI(430) на входе MSP430 соответствующих наихудших пороговых значений. Третье неравенство обеспечивает отсутствие влияния тока утечки Ilkg входных диодов на напряжение VI(430). Для исключения протекания тока через защитные диоды входов MSP430, необходимо, чтобы выполнялось:

Рис. 2. Резистивный входной преобразователь 5В ? MSP430

ПРИМЕР: Входные напряжения от внешней системы: V(sysH) = 5.0 В ±10% и V(sysL) = 0.5 В ± 0.5 В. Начальный разброс резисторов p = ±5%. Минимальное напряжение питания MSP430 в этом примере DVCC(min) = 2.7 В (3.0 В – 10%). Учитывая приведенные выше значения спецификаций на входные пороговые уровни VIT(max) и VIT(min) и величину входного напряжения V(sysH)min:

Условие для входного напряжения низкого уровня V(sysL)max :

Для обеспечения незначительности влияния тока утечки Ilkg:

Эти три расчётные формулы допускают достаточно широкий диапазон для выбора R1 и R2. Если выбрать R1/R2 = 1.0 и R1||R2 = 600 k?, то R1 = 1.2 M? и R2 = 1.2 M?. Для предотвращения протекания тока через входные защитные диоды MSP430 необходимо, чтобы выполнялось:

Выполнение двух последних неравенств не имеет большой важности, если значение тока через вывод MSP430 гораздо меньше, чем ±2 мA (абсолютный максимум допустимого значения входного тока). Именно такой случай имеет место в нашем примере: R1||R2 = 600 k?.

Приведенные выше расчётные формулы справедливы для следующих выводов MSP430, настроенных на ввод:

• Все порты ввода/вывода (P1…P6)
• Входы кварцевого резонатора XIN и XT2IN: VIL(X)max = 0.2 х DVCC, VIH(X)min = 0.8 х DVCC
• Вход RST/NMI: VILmax = DVSS +0.6 В, VIHmin = 0.8 х DVCC
• Входы компаратора Comparator_A CA0 и CA1
• Входы UART/SPI URXDx, SOMIx, SIMOx, UCLK
• Входы таймера Timer_A TACLK, TA0…TA2
• Входы таймера Timer_B TBCLK, TB0…TB6
• Входы АЦП ADC12: время выборки t(sample) должно быть согласовано с импедансом резистивного делителя R1||R2. Дополнительная информация содержится в главе ADC12 в [2] или [3].

3.2 Входной преобразователь на транзисторе

Входной преобразователь на транзисторе представляет собой весьма простую схему, позволяющую согласовать различные внешние устройства с микроконтроллерами семейства MSP430. Пример реализации инвертирующего входного буфера приведен на Рис. 3. Резистор RC может быть отключен при помощи выхода контроллера для снижения потребляемого тока в режиме пониженного энергопотребления 3.

Расчётные формулы для резисторов RC, RB1 и RB2 имеют следующий вид:

Третье неравенство обеспечивает включение транзистора при входном уровне V(sysH) min:

Пример: Входное напряжение с уровнем VI(sys) подаётся на вход MSP430 с током утечки Ilkg = ±50 нА. Минимальное напряжение лог. «1» V(sysH)min = 4.5 В, максимальное напряжение лог. «0» V(sysL)max = 0.7 В. Начальный разброс всех резисторов p = ±5%. Напряжение питания DVCC = 3 В ±10%. Характеристики транзистора VBE(on) = 0.75 В, VBE(off) = 0.2 В, ?min = 100, Ilkg(Tr) = 10 нА.

Максимальное значение RC равно:

Минимальное соотношение номинальных значений RB1 и RB2 равно:

Максимально допустимое значение для RB1:

С учётом значения RB1 = 39 M? получаем для RB2:

3.3 Входной преобразователь на операционном усилителе

Операционные усилители являются оптимальным решением для входных преобразователей в тех случаях, когда они уже используются в системе (в качестве интегратора, компаратора, усилителя, ЦАП и т.д.). Для ОУ TLC27L4 необходимо ограничить входные напряжения до уровня не выше, чем VDD + 0.3 В. Минимальное напряжение питания TLC27L4 VCC(min) = 3 В.

Рис. 4. Входной преобразователь на операционном усилителе

Формулы для вычисления номиналов резисторов R1 и R2 по схеме, приведенной на рис.4 при наихудших условиях:

Пример расчёта приведен в главе Входные преобразователи на резистивных делителях, параграф 3.1.

3.4 Входной преобразователь на микросхеме ULN2003A

В левой части рис. 7, три буфера микросхемы ULN2003A используются в качестве входного преобразователя для согласования с 5-вольтовыми и 12-вольтовыми системами. Последовательный резистор RV (p = ±5%) для входного сигнала амплитудой 12 В (V(sysH)min = 11 В) рассчитывается следующим образом:

«Подтягивающий» резистор Rp на входе MSP430 вычисляется так:

Для уменьшения потребляемого тока, резисторы Rp подключаются к DVCC только по необходимости.

3.5 Входные преобразователи на интегральных микросхемах

Для преобразования 5-вольтовых сигналов в 3.3-вольтовые можно использовать любые КМОП-микросхемы, удовлетворяющие следующим условиям:

• Предназначена для работы с питающим напряжением 3.3 В или менее.
• Явно указана возможность работы с входными уровнями более 3.3 В.

Указанным требованиям соответствуют микросхемы семейств AHC и LVC. Их можно подключать к источнику питания 3.3 В микроконтроллера MSP430.

Примечание: Обязательно проверьте, действительно ли выбранная вами микросхема допускает подачу входных сигналов с уровнем VI, выше, чем уровень источника питания 3.3 В. В разделе предельные условия эксплуатации (absolute maximum ratings) документации должна присутствовать подобная запись:

Диапазон входных напряжений (Input voltage range) VI……………………….от 0.5 В до 7 В

Для «обычных» же КМОП микросхем запись будет выглядеть так:

Диапазон входных напряжений (Input voltage range) ……………………от 0.5 В до VCC+0.5 В

или так:

Входной ток защитных диодов (Input clamp current) IIK (VI < 0 или VI > VCC) …±20 мА

3.6 Входные преобразователи аналоговых сигналов

Для согласования входов АЦП ADC12 можно использовать такие же резистивные делители, как и рассмотренные выше для цифровых сигналов. На рис. 5 показано подключение 5-вольтового датчика тока Холла к входу Ax АЦП ADC12. Расчётные формулы для наихудших условий приведены в главе Входные преобразователи на резистивных делителях, параграф 3.1.

Рис. 5. Аналоговый входной преобразователь 5 В ? 3 В для АЦП ADC12

Если внешняя схема не способна запитывать вытекающим током резистивный делитель, следует применять повторитель на ОУ, расположенный между выходом периферийного устройства и резистором R1. Время выборки АЦП ADC12 t(sample) должно быть согласовано с импедансом резистивного делителя R1||R2. Дополнительная информация содержится в главе ADC12 в [2] или [3].

4 Выходные преобразователи

Преобразователи не требуются для работы с ЖКИ и с пассивными датчиками. Их можно соответствующим образом подключать непосредственно к MSP430. См. [2].

4.1 Выходной преобразователь на транзисторе

Простой преобразователь для систем с рабочим напряжением более 3 В показан на рис. 6. Нагрузка транзистора RL может быть самой разнообразной: резисторы, нагреватели, вентиляторы, реле и т.д. Резистор в цепи базы RB вычисляется следующим образом:

Благодаря низкому напряжению на выходе порта MSP430, резистора между базой транзистора и 0 В не требуется.

Рис. 6. Выходной преобразователь на транзисторе для согласования с 5-вольтовой системой

Пример: нагрузка RL = 100 ? ±3% подключена к V(sys) = 5 В ±10%. Начальный разброс резистора RB p = ±10%. Минимальное напряжение питания DVCC(min) = 2.7 В (3.0 В – 10%). Характеристики транзистора: VBE(on) = 0.7 В и ?min = 100.

4.2 Выходной преобразователь для входов КМОП –TTL

Все интегральные микросхемы со входами TTL-КМОП могут быть использованы в качестве выходных цепей для MSP430x1xx и MSP430x4xx. Входные уровни для этих ИС:

VIHmin	Минимальное входное напряжение лог. «1»	2.0 В
VILmax	Максимальное входное напряжение лог. «0»	0.8 В

Оба напряжения находятся в пределах выходных напряжений портов MSP430: DVCC -0.25 В и DVSS + 0.25 В при DVCC = 2.7 В… 3.6 В. Никаких согласующих элементов в данном случае не требуется, TTL-КМОП микросхемы содержат встроенный преобразователь 3-В/5-В.

4.3 Согласование со входами микросхемы ULN2003

Для увеличения выходных токов или для управления несколькими (до семи) 5-вольтовыми выходами можно использовать выходной буфер ULN2003A. Его характеристики приведены ниже:

В правой части рис. 7, ULN2003A используется в качестве выходного буфера для согласования с 5-вольтовыми и 12-вольтовыми периферийными устройствами. Защитные диоды на выходе ULN2003A используемые для 12-вольтовых периферийных устройств не влияют на 5-вольтовые сигналы.

Рис. 7. Интерфейсы с сильноточными выходными буферами ULN2003

Входной преобразователь в левой части рис. 7 описан в разделе Входной преобразователь на микросхеме ULN2003A, глава 3.4.

4.4 Выходной преобразователь на операционном усилителе

Согласование с системами, имеющими напряжение питания V(sys) до 16 В можно реализовать на базе счетверённого ОУ TLC27L4. Резистивные делители на инвертирующих входах TLC27L4 образуют напряжения ? 1.5 В. Номиналы резисторов RB1 и RB2 должны удовлетворять условиям:

Рис. 8. Выходной преобразователь на операционном усилителе

4.5 Выходные преобразователи на интегральных микросхемах

В качестве выходных преобразователей 3-вольтовых с 5-вольтовыми схемами можно использовать практически любые TTL-совместимые ИС, например, такие, как семейства HCT и AHCT. То же самое справедливо и для биполярных ИС. Если источник питания 5 В может выключаться в то время, как 3-вольтовый источник остаётся включенным (например, в ситуации, изображённой на рис. 11), то для коммутации VCC можно использовать только ИС, не содержащие встроенных защитных диодов. В противном случае, через защитный диод будет протекать ток с 3-вольтового источника питания на землю. Это означает, что в таких случаях можно использовать только семейство AHCT или биполярные ИС.

5 Двунаправленные преобразователи

5.1 Простой двунаправленный преобразователь на ОУ

Интерфейс, изображенный на рис. 9 можно использовать в случае, если требуется двунаправленный обмен между MSP430 и 5-вольтовыми системами. Операционный усилитель исполняет роль триггера: порт ввода-вывода, работающий в режиме выхода, контролирует состояние триггера. Второй порт ввода-вывода должен быть сконфигурирован как вход.

Рис. 9. Двунаправленный интерфейс между 3-вольтовой и 5-вольтовой системами

Формулы расчёта резисторов R3, R4 и R5 для наихудших случаев:

Следующее неравенство гарантирует высокий уровень на входе MSP430 с учётом токов утечки MSP430 и операционного усилителя Ilkg и Ilkg(Op):

Последнее неравенство обеспечивает высокий уровень на входе внешнего устройства с учётом его тока утечки Ilkg(sys):

Пример: двунаправленный интерфейс со следующими параметрами: V(sys) = 5 В ±10%, V(sysH)min = 4 В, V(sys+)max = 3.5 В, Ilkg(sys) = ±1 мкA, Ilkg(Op) = ±700 пA, Ilkg = ±50 нA, Vref = 1.5 В ±5%. Начальный разброс резистора p = ±5%. Минимальное напряжение питания DVCC(min) = 2.7 В (3.0 V – 10%).

Номиналы трёх резисторов равны: R3 = 330 k?, R4 = 2M?, R5 = 1.6 M?

5.2 Двунаправленный преобразователь на интегральных микросхемах

Для двунаправленного интерфейса можно применять специализированные преобразователи уровней, такие, как SN74LVCC4245A. Эта ИМС представляет собой 8-битный двунаправленный преобразователь 5-вольтовых уровней для всего порта MSP430. На рис. 10 показан пример использования этой ИС.

MSP430 определяет направление передачи при помощи вывода DIR. Шина A может быть при необходимости отключена от шины B при помощи вывода OE.

Рис. 10. Двунаправленный преобразователь на интегральных микросхемах

6 Источники питания

Примечание: формулы для расчёта рассматриваемых ниже источников питания приведены в разделе Источники питания для систем на базе MSP430 (Power Supplies for MSP430 Systems) в [1]. Также в этом разделе рассмотрены другие типы источников питания, например трансформаторные ИП и приведены соответствующие формулы.

На рис. 11 показан конденсаторный источник питания на два выходных напряжения, VCC1 = 3 В и VCC2 = 5 В. Если выходного тока TLC27L4s недостаточно, то можно использовать выходной буфер NPN, как нарисовано на рис. 12.

Рис. 11. Конденсаторный источник питания с двумя выходными напряжениями

Используя вывод выключения PD, MSP430 может отключать 5-вольтовый источник на время нахождения в режиме пониженного потребления (LPM3):

• Активный режим (Active mode): выход MSP430 подключенный к PD переключается в высокоимпедансное состояние
• Режим пониженного энергопотребления (LPM3): выход MSP430 подключенный к PD подключается к DVCC. На выходе 5-вольтового регулятора напряжение, близкое к 0 .

На рис. 12 показан источник питания на два выходных напряжения VCC1 = 3 В и VCC2 = 5 В. 3-вольтовый источник питания буферизован NPN-транзистором для увеличения тока.

Рис. 12. Источник питания с двумя выходными напряжениями

7 Заключение

Как показано в данном примере применения, существуют различные недорогие способы подключения 3-вольтовых микроконтроллеров семейства MSP430 к 5-вольтовым схемам. В некоторых случаях внешние 5-вольтовые устройства уже содержат необходимые элементы сопряжения. Автор выражает благодарность Eilhard Haseloff за его ценные замечания.

Ссылки

1. MSP430 Family Mixed-Signal Microcontroller Application Reports, Literature Number SLAA024
2. MSP430x4xx Family User’s Guide, Literature Number SLAU056
3. MSP430x1xx Family User’s Guide, Literature Number SLAU049
4. MSP430x43x, MSP430x44x Mixed Signal Microcontroller data sheet, Literature Number SLAS344
5. TLC27L4, TLC27L4A, TLC27L4B,TLC27L4Y, TLC27L9 LinCMOS™ Precision Quad Operational Amplifiers data sheet, Literature Number SLOS053
6. ULN2001A, ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A,ULQ2003A, ULQ2004A High-Voltage High-Current Darlington Transistor Array data sheet, Literature Number SLRS027
7. SN74LVCC4245A Octal Dual-Supply Bus Transceiver With Configurable Output Voltage and 3-State Outputs data sheet, Literature Number SCAS584