MSP430混合电压和逻辑系统的设计

3.3V器件可以有5V的输入容限，首先介绍逻辑电路输入端的静电放电（ESD）保护电路的工作原理。实际上数字电路的所有输入端都有一个ESD保护电路，如图3所示。传统的CMOS电路通过接地二极管D1和D2对负向高电压限幅而实现保护，正向高电压则由二极管D3钳位。这种电路的缺点是为了防止电流流向Vcc电源，最大的输入电压被限制在Vcc+0.5V（二极管压降）。大多数5V系统输出端的电压可达3.6V以上，因此采用了这种电路结构的3.3V器件是不能与5V器件输出端直接接口的。

有些3.3V系统电路可以使用两个MOS场效应管或者晶体管T1、T2代替图3（a）中D1、D2二极管，如图3（b）所示。T1、T2的作用相当于快速齐纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到Vcc的二极管D3，因此最大输入电压不受Vcc的限制。典型情况下，这种电路的击穿电压在7V ~ 10V之间。因此，这种改进后具有ESD保护电路的3.3V系统的输入端可以承受5V的输入电压。

3.3 CMOS器件输出端保护电路

当3.3V系统与5V系统直接接口时，在 3.3V器件的输出端可能存在电流倒灌问题。图4（a）是CMOS器件输出端电路的简化形式。当输出端电压高于Vcc+0.5V时，P沟道MOS场效应管T1的内部二极管D1会形成一条从输出端到Vcc的电流通路。所以对于3.3V的这种CMOS电路与 5V器件相连时需要加保护电路。

3.4 各种电平的转换标准

MSP430系列的供电电压为1.8V ~ 3.6V，通常取典型电压为3.3V，所以I/O口的最大逻辑电平也是3.3V。在进行MSP430微控制器设计时，除了控制器本身还有很多外围的模块和芯片。比如RAM、LCD、串口以及常用的74系列芯片等。如果外围芯片或者模块的工作电压也是3.3V，那么就可以直接接口。但是，由于现在很多芯片的工作电压都是5V，如EPROM、SRAM、诸多74系列芯片等。因此就存在一个如何将3.3V MSP430与这些5V芯片或模块可靠接口的问题。表2所示为5V CMOS、5V TTL和3.3 V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表示输出低电平的最高电压。从表中可以看出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。

3.5 MSP430与5V电平接口的4种情形

根据实际应用的场合，下面考虑4种不同的情况。

(1) 5V TTL器件驱动MSP430。由于5V TTL和3.3V的电平转换标准是一样的。5V TTL器件输出的典型值为3.6V。因此，如果3.3V器件能够承受5V的电压，则从电平上来说是完全可以直接相连的。但是，因为驱动器结构会有所不同，因此必须要对加到MSP430输入端的电压进行控制，使其不超过3.6V，以防万一；

(2) MSP430驱动5V TTL器件。由于3.3V 和5V TTL电平转换标准是一样的，因此不需要额外的器件就可以将二者直接相连。不需要额外的电路直接从MSP430驱动5V的器件，看起来是不可思议的，但是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MSP430 实际上能输出3V摆幅的电压，显然5V TTL器件能够正确识别MSP430的输入电平；

(3) 5V CMOS器件驱动MSP430。显然，5V CMOS与3.3V的转换电平是不一样的。进一步分析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器件能够正确识别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。但是MSP430没有5V容限，不能直接与5V器件的输出端接口；

(4) MSP430驱动5V CMOS。3.3V与5V CMOS的电平转换标准是不一样的，从表2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MSP430的输出不能直接与5V CMOS器件的输入相连接。

3.6 3.3V与5V电平转换

由以上分析可知，在5V TTL器件驱动MSP430或者MSP430与5V CMOS器件接口时，二者是不能直接相连的。在这种情况下，必须要经过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。对于5V TTL驱动MSP430时的情况，也可以采用一个简单的办法就是电阻分压，类似于如图2所示的分压法电源解决方案。

4 MSP430与串口接口问题

MSP430系列微控制器都自带串行通信口，有几款还有两个串口。这样就方便了与PC机接口，增强了与外界通信的能力。不过串口的电平和逻辑关系与MSP430存在很大