I/O 电压标准及其在确保微控制器使用相同语言方面的作用

想象一下,当您试着用母语与外国人交流时(图 1),却发现他们不仅听不懂,而且您说的“是”在他们的语言中实际上意味着“否”。当两个采用互不兼容 I/O 标准的集成电路 (IC) 尝试通信时,就会发生这种情况。其结果轻则造成混乱,重则造成硬件损坏。

图 1:由 AI 生成的图像,说明使用不同 IO 标准造成的混乱。(来源:此图由 AI 生成)

微控制器以 0 和 1 的二进制逻辑工作,且存在与这些逻辑电平相对应的电压范围。例如,一个微控制器可能将逻辑“0”读取为低于 0.3 V 的任何电压,将逻辑“1”读取为高于 2.7 V 和高达 3.3 V 之间的任何电压。但是另一个微控制器可能将“1”读取为从 1.2 V 到 1.8 V 之间的任何电压。如果第一个微控制器向第二个微控制器发送 3.3 V 信号(图 2),则可能会超过接收器件的电压耐受能力,以致于可能造成永久性损坏。

图 2:两个采用互不兼容 IO 标准的 IC 进行通信。(来源:此图由 AI 生成)

因此,在嵌入式系统设计中,了解和管理 I/O 电压兼容性至关重要。如果没有适当的电平转换或电压转换,即使是两个芯片之间的简单连接也可能导致不可预测的行为或硬件故障。

I/O 电压标准的作用

I/O 电压标准定义了数字逻辑信号可接受的电压水平。该标准规定了逻辑高 (1) 或低 (0) 的构成。这些标准确保器件能够正确转换信号并做出适当响应。如果针对这些电平没有共同认可的标准,器件可能会误读信号或无法相互通信。

由标准定义的术语:

  • VIH(输入高电压):被识别为逻辑高电平的最小电压。
  • VIL(输入低电压):被识别为逻辑低电平的最大电压。
  • VOH(输出高电压):作为逻辑高电平的最小电压输出。
  • VOL(输出低电压):作为逻辑低电平的最大电压输出。

为了顺利通信,一个器件的输出电平必须在接收器件可接受的输入范围内。

单端 IO 标准

单端输入输出 (SIO) 标准(图 3)是最常见的输入输出 (I/O) 标准之一。它们使用以公共地为参考的单根电线来传输信号。就低速和低复杂度设计而言,与使用两个互补信号的差分信号标准相比,SIO 是一种经济高效且更简单的替代方案。

低压互补金属氧化物半导体 (LVCMOS) 是一种常见的单端标准半导体,在某些情况下通常称为 LVMOS。LVCMOS 通常在 1.8 V、2.4 V 或 3.3 V 下工作,并为逻辑高电平和低电平定义特定的阈值。由 SIO 标准带来的简单化是有代价的,LVCMOS 等 SIO 在长距离或高频下容易受到噪声和信号衰减的影响。当将 LVCMOS 连接在不同电压域下运行的器件时,使用电平转换器确保适当的电压兼容性极其重要。

图 3:不同 IO 标准的电压电平。(来源:Texas Instruments)

I/O 接口的挑战

1. 电压不匹配

与不同电压水平下工作的接口器件相关的最常见问题是电压不匹配。例如,如果不进行电平转换就将 3.3 V 输出连接 1.8 V 输入,可能会损坏低压器件(图 2)。

为了缓解这种情况,必须确保一个 IC 的输入高电压 (VIH) 和输入低电压 (VIL) 电平与另一个 IC 的输出高电压 (VOH) 和输出低电压 (VOL) 电平相匹配。

2. 信号完整性

在高速下,反射、振铃和串扰可能会破坏信号质量。正确的端接、阻抗匹配和布线对于维持洁净的信号转换至关重要。

3. 电源域

在具有多个电压轨的系统中,必须注意隔离或转换域之间的信号。电平转换器、分压器或带有上拉电阻的开漏配置是常见的解决方案。

高级逻辑系列:LVPECL、CML、VML 和 LVDS

在高速通信系统中,使用 LVPECL(低压正发射极耦合逻辑)、CML(电流模式逻辑)和 VML(电压模式逻辑)等逻辑系列(表 1)。这些逻辑具有更快的转换和更优的抗噪能力,但需要精心设计:

  • LVPECL:工作电压约为 3 V,具有差分信号和高速性能
  • CML:使用恒流源实现快速切换和低抖动
  • VML:不常见,但其电压模式信号具有不受负载影响的摆幅
  • LVDS:广泛用于中速、低功耗差分信号

表 1:按逻辑电平 LVPECL、CML、VML 和 LVDS 划分的电压参数。(来源:Texas Instruments)

I/O 接口的最佳实践

  1. 请务必检查数据表中的 VIH、VIL、VOH 和 VOL 值。
  2. 跨电压域连接时使用电平转换器。
  3. 尽早并经常使用示波器和逻辑分析仪进行测试。

I/O 接口不仅仅是连接引脚,还要确保每个信号都按照预期准确理解。随着嵌入式系统变得越来越复杂并且运行时跨多个电压域和逻辑系列,设计人员充分掌握 I/O 兼容性就变得至关重要。

通过充分了解电压标准、预测不匹配情况并采用最佳实践,我们可以设计出强大、可靠的系统,确保通信清晰,杜绝任何转换错误。然而,如果需要连接 I/O 标准不同的 IC,则可以采用电平转换器来消除信号电平不匹配情况。

电平转换器

电平转换器 (LS) 也称为电压转换器,是嵌入式系统中用于在不同电压电平下工作的组件之间实现安全连接的电路。假设一个以 3.3 V 运行的微控制器需要与一个以 1.8 V 逻辑运行的传感器通信,电平转换器可确保信号在两者之间正确转换,而不会出现任何损坏或逻辑错误的风险。根据所使用的协议,电平转换器可分为单向或双向转换器。LS 通常使用 MOSFET、缓冲器 IC 或专用转换器芯片来实现。在维护信号完整性和保护混合电压环境中的元器件方面,LS 发挥着不可或缺的作用。

图4:八通道电平转换器模块。(来源: SparkFun

其他资源

  1. https://www.ti.com/lit/an/slla120/slla120.pdf
  2. 逻辑电平转换基础知识 | DigiKey
  3. 发射极耦合逻辑 - GeeksforGeeks
  4. LVPECL 技术:原理、分类、应用和性能解析
  5. Microsoft Word - Hfan10v2_4-08.doc

关于此作者

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Aswin 是一名软件工程师,专长机器人和人工智能。他热衷于将这些技能用于社会公益事业。其经历包括家庭自动化领域创业者到机器人工程师。他曾参与过用于机器人定位的单目视觉里程测量系统等创新项目。此外,他还拥有向不同年龄段学生教授机器人和人工智能的经验。他喜欢从事公开演讲、养蜂、园艺和公益志愿服务。

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