1. EPM7128SLC84-15簡述
EPM7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S 系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)；采用CMOS E2PROM工藝，傳輸延遲僅為5ns；內部具有豐富的資源--128個觸發器、2500個用戶可編程門；而且具有68個用戶可編程的IO口，為系統定義輸入、輸出和雙向口提供了極大的方便；為了比較適合混合電壓系統，通過配置，輸入引腳可以兼容3.3V/5V邏輯電平，輸出可以配置為3.3V/5V邏輯電平輸出。EPM7128同時還提供了JTAG接口，可進行ISP編程，極大地方便了用戶。
2. 電源設計
TMS320LF2407A的工作電壓是3.3V，而系統中許多常用外圍器件的主要工作電壓通常都是5V，因此以TMS320LF2407A為核心構成的應用系統必然是一個混合電壓系統。系統中不僅要求有3.3V的電源，還要求有5V的電源。設計的目標就是減少所需電源的數目，并減少產生這些電源電壓所需器件的數目。為了減少多電源所需的額外器件的數目，不少廠家提供了產生多種電壓的芯片。同時，隨著技術的不斷進步，將會出現更多的低電壓器件，從而逐漸消除對多電源的要求和產生這些電源的花費和復雜性。 對于TMS320LF2407A應用系統而言，首先要解決的就是3.3V電源問題。解決3.3V電源通常有以下幾種方案。
2.1 電阻分壓
利用電阻分壓的方法，其原理如圖1所示。其成本比較低并且結構簡單，可以作為一種應急的方案。但是，該電路實際的輸出電壓顯然要小于3.3V，并且隨著負載的變化，輸出電壓也會產生波動。此外，這種電路的無功功耗也比較大。
2.2 直接采用電源模塊
考慮到開關電源設計的復雜性，一些公司推出了基于開關電源技術的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊還可以實現電源隔離。這些電源模塊使用方便，只需增加很少的外圍元件，但是價格比較昂貴。
2.3 利用線性穩壓電源轉換芯片
線性穩壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統的線性穩壓器，如LM317，要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大，否則就不能夠正常工作。因此對于5V的輸入，輸出并不能夠達到3.3V。面對低壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1.3V~0.2V，可以實現5V轉3.3V的要求。LDO所需的外圍器件數目少、使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如，TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設計的電源轉換芯片，其輸出電流可以達到500mA，且接口電路非常簡單，只需接上必要的外圍電阻，就可以實現電源轉換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調電壓輸出的芯片，但這種芯片通常效率不是很高。
綜合幾種電源的優缺點，DSP系統采用LDO芯片TPS7333。此芯片是TI公司專門為3.3V低壓系統設計的，它是固定輸出3.3V，且有上電產生DSP系統復位所需的信號。此外它輸出電流可達幾百毫安，輸出功率完全能夠滿足系統所需。具體電路如圖2所示。
3. TMS320LF2407A邏輯接口設計
3.1 各種電平的轉換標準
在進行DSP系統設計時，除了DSP和CPLD本身外，還有很多外圍的模塊和芯片，比如鍵盤顯示接口芯片（82C79）、D/A、A/D、I2C等。這些可歸成兩類--輸入5V TTL電平和5V CMOS電平。因此就存在一個如何將DSP與這些芯片或模塊可靠接口的問題。
圖3所列為5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL電平的轉換標準。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平最高電壓。從表1中可以看出，5V TTL和3.3V的轉換標準是一樣的，而5V CMOS的轉換標準是不同的。因此，在將3.3V系統與5V系統接口時，必須考慮到兩者的不同。
在混合電壓系統中，不同電源電壓的邏輯器件互相接口時存在以下幾個問題。
① 加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的，這些引腳由二極管或者分離元件接到VCC。如果接入的信號電壓過高，則電流將會通過二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端加上5V的信號，則5V電源會向3.3V電源充電。持續的電流將會損壞二極管和其它電路元件。
② 兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電時，3.3V電源降到0V，大電流將流通到地。這使得總線上的高電壓被下拉到地，引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是：不管在3.3V的工作狀態還是在0V的等待狀態，都不允許電流流向VCC。
③ 接口輸入轉換門限問題。用5V的器件驅動3.3V的器件有很多不同的情況，同樣TTL和CMOS間的轉換電平也存在著不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，并且要有足夠的容限以確保不損壞電路元件。
3.2 DSP（TMS320LF2407A）與5V電平接口的4種情形
在DSP混合電壓系統中，有下面4種不同的情況需考慮：
① DSP（TMS320LF2407A）驅動5V TTL器件（直接相連）。由于 3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V，5V TTL器件的VIH 和VIL 電平分別是2V和0.8V；而TMS320LF2407A實際上能輸出3V擺幅電壓，顯然5V TTL器件能夠正確識別TMS320LF2407A的輸入電平。
② 5V TTL器件驅動TMS320LF2407A（不能直接連接）。TMS320LF2407A的典型工作電壓是3.3V，其I／O口的電平也是3.3V。在進行外圍接口設計時，如果外圍器件的工作電壓是5V，其輸出電壓會大于DSP的電源電壓，這樣就會向3.3V電源灌電流，損壞TMS320LF2407A，所以這是絕對不可直接相連的。由于CPLD（EMP7128）有5V容限，所以可以與5V TTL器件直接連接。而CPLD（EPM7128）可以配置為3.3V輸出，其輸出可以被TMS320LF2407A所接受，所以TMS320LF2407A需經過CPLD（EPM7128）才能與5V TTL器件相連，接受輸入信號。
③ 5V CMOS器件驅動TMS320LF2407A（需經過EPM7128電平轉換）。分析同上，5V CMOS器件不可以直接驅動TMS320LF2407A。通過比較5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的轉換電平可以看出，雖然兩者存在一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3.3V器件可以正確識別5V器件送來的電平值。所以能夠承受5V電壓的3.3V 器件的輸入端可以直接與5V器件的輸出端接口。CPLD（EPM7128）有5V容限，故能直接與5V器件的輸出端接口，而它的輸出是3.3V TTL電平，可以被DSP（TMS320LF2407A）接受。
④DSP（TMS320LF2407A）驅動5V CMOS(不能直接相連)。3.3V與5V CMOS的電平轉換標準是不一樣的。從圖3中可以看出，3.3V輸出的高電壓的最低電壓值VOH = 2.4V(輸出的最高電壓可以達到3.3V)，而5V CMOS器件要求的高電平最低電壓VIH = 3.5V，因此TMS320LF2407A的輸出不能直接驅動5V CMOS器件。為此必須做些處理。最通用的方法就是，使用電平接口轉換芯片實現3.3V與5V電平的相互轉換。可以采用雙電壓（一邊是3.3V，另一邊是5V）供電的雙向驅動器來實現電平轉換。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以較好地解決3.3V與5V電平的轉換問題。也可以通過CPLD，利用CPLD輸出口設置OC(集電極開路)，外接一個電阻上拉到5V，這樣就可以驅動5V CMOS器件，只是邏輯反向了而已。
3.3 本系統所采用的轉換接口
由于EMP7128具有混合電壓特性，VCCINT接5V，輸入口的邏輯電平范圍為TTL，因此它能夠兼容3.3V/5V輸入。輸出口的邏輯電平范圍為0V～VCCIO，VCCIO可以接3.3V或者5V。本DSP系統就采用EMP7128作為邏輯電平轉換接口，使輸入配置為5V，輸出配置為3.3V，對于一些輸出驅動5V COMS器件的IO口，配置輸出口為OC門，外接上拉電阻，拉到5V電壓，只是編程中要注意輸出口的邏輯反向。系統電路原理圖如圖4所示：
4. 結論
經過實際應用證明應用CPLD（EMP7128）配置輸入引腳兼容3.3V/5V邏輯電平和輸出為3.3V/5V邏輯電平，使DSP（TMS320LF2407A）系統可以與5V TTL和5V COMS電平順利接口。經過CPLD（EMP7128）使DSP（TMS320LF2407A）的3.3V電壓系統與5V器件構成一個混合電壓系統，確保了系統的安全性及可靠性，并且由于EPM7128的可編程特性使得系統連接具有易改性和保密性。
上一篇：專用芯片解密技術：芯片設計中的IP技術
下一篇ATtiny15（L）AVR單片機解密案例
溫馨提示：
凡在本公司進行電路板克隆業務的客戶，必須有合法的PCB設計版權來源聲明，以保護原創PCB設計版權所有者的合法權益；