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

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。