?隨著人們對(duì)降低功耗需求的不斷增加，現(xiàn)如今許多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)朝著電源電壓不斷降低的趨勢(shì)發(fā)展。隨著處理器電壓電平的降低，外設(shè)仍然保持較高的電壓電平，因此會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生不連續(xù)的電壓電平。一種解決該問(wèn)題的方案是使用電壓轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)電壓電平升壓或降壓至另一個(gè)電平。它們非常適合用于簡(jiǎn)單的 GPIO 應(yīng)用以及常見(jiàn)的推挽接口，如 SPI、UART、JTA。本文將討論業(yè)界通用接口以及常見(jiàn)的終端設(shè)備應(yīng)用，重點(diǎn)介紹江蘇潤(rùn)石現(xiàn)有RS020x和RSxTx45系列產(chǎn)品在這些接口上的應(yīng)用。

一、RS020x系列產(chǎn)品介紹

? RS020x系列器件屬于江蘇潤(rùn)石的自動(dòng)雙向電平轉(zhuǎn)換器系列。這一系列電壓轉(zhuǎn)換器提供1、2、4、8這四種通道數(shù)和兩個(gè)獨(dú)立的可配置電源軌，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)設(shè)計(jì)，RS020x轉(zhuǎn)換器適用于A端1.2-3.6V向B端1.65-5.5V轉(zhuǎn)換，或者將B端電壓往A端電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。這些器件最高支持100Mbps的傳輸數(shù)據(jù)速率（詳情請(qǐng)參考官網(wǎng)規(guī)格書(shū)）。VCC 隔離、IOFF 功能以及具有 5kV HBM（人體放電模型）的內(nèi)置 ESD（靜電放電）保護(hù)功能。請(qǐng)查看表1，了解RS020x系列指標(biāo)。

二、RSxTx45系列產(chǎn)品介紹

? RSxTx45系列器件屬于江蘇潤(rùn)石的方向控制型電平轉(zhuǎn)換器系列。這些電壓轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)獨(dú)立的可配置電源軌，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)設(shè)計(jì)，RSxTx45系列轉(zhuǎn)換器適用于1.65V至5.5V的VCC 范圍。該系列同樣給使用者提供1、2、4、8四種不同通道數(shù)。這些器件支持高達(dá)200Mbps 的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)提供 32mA 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。VCC 隔離、IOFF 功能以及具有 3kV HBM（人體放電模型）內(nèi)置 ESD（靜電放電）保護(hù)功能。

三、常見(jiàn)接口和使用RS020x/RSxTx45系列實(shí)現(xiàn)

1、通用輸入輸出口（GPIO）

? 所有微處理器都具有用于與外設(shè)進(jìn)行通信的通用輸入輸出 (GPIO) 端口。然而，內(nèi)核和外設(shè)芯片可能在不同的電壓電平下工作，這就是系統(tǒng)需要電平轉(zhuǎn)換器的原因。如果所需的信號(hào)沒(méi)有轉(zhuǎn)入微處理器的工作電壓，就會(huì)影響通信的可靠性。RS1T45可作為I/O電路的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，尤其是在單通道信號(hào)（例如控制輸入）中。RS1T45為電壓轉(zhuǎn)換 I/O 引腳提供了解決方案，例如以下引腳：

1）使能 ?2）重啟 ?3）時(shí)鐘緩沖 ?4）電源正常狀態(tài) ?

5）錯(cuò)誤標(biāo)志 6）復(fù)位 ?7）存儲(chǔ)器錯(cuò)誤 ?8）處理器過(guò)熱

例如圖1所示LED驅(qū)動(dòng)

圖1 使用RS1T45進(jìn)行GPIO轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)

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2、串行外設(shè)接口 (SPI)

? 串行外設(shè)接口 (SPI) 可提供處理器與外設(shè)之間的同步通信。SPI 是一種“控制器-外設(shè)”架構(gòu)的四線制通信接口， 其中三條線路由控制器（通常是處理器）驅(qū)動(dòng)，一條線路由外設(shè)（通常是外設(shè)）驅(qū)動(dòng)。表 3 介紹了 SPI 信號(hào)接口。

?控制器驅(qū)動(dòng)的第一條信號(hào)線路是CLK，這是時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘脈沖，控制器可向外設(shè)發(fā)送或從外設(shè)接收一個(gè)位。數(shù)據(jù)速率通常為10Mbps，但可根據(jù)需要在系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。SPI是全雙工協(xié)議，因此需要兩條數(shù)據(jù)線路：COPI和CIPO。COPI代表控制器輸出外設(shè)輸入，由控制器驅(qū)動(dòng)向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。CIPO 代表控制器輸入外設(shè)輸出，由外設(shè)驅(qū)動(dòng)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。最后一條線路是 CS，這是外設(shè)選擇信號(hào)。CS 線路由控制器驅(qū)動(dòng)為低電平以選擇外設(shè)進(jìn)行通信。一個(gè)系統(tǒng)中可能存在多個(gè)外設(shè)，這可確保與所需的外設(shè)進(jìn)行通信，防止可能出現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)總線爭(zhēng)用。SPI 常用于：

1）控制信號(hào) ?2）傳感器 ??3）存儲(chǔ)器 ??4）LCD 顯示屏 ??5）SD 卡

? 當(dāng)信號(hào)電平相同時(shí)，可使用SPI協(xié)議進(jìn)行器件之間的連接。在電壓不匹配的情況下，建議使用電平轉(zhuǎn)換器。RS020x系列是轉(zhuǎn)換SPI中使用的所有四條線路的理想解決方案。RS0204的優(yōu)點(diǎn)是可自動(dòng)識(shí)別每個(gè)通道信號(hào)傳輸?shù)膫€(gè)方向。因此該器件在SPI中非常有用，因?yàn)?SPI 中的一條線路與其他三條線路以相反的方向運(yùn)行。此外，RS020x系列最高可支持 100Mbps，遠(yuǎn)高于通常的SPI數(shù)據(jù)速率。SPI接口可容納在同一控制器下運(yùn)行的多個(gè)獨(dú)立外設(shè)，因此電壓轉(zhuǎn)換器的位置是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)考量因素。如果總線在另一個(gè)不同的電壓節(jié)點(diǎn)上有多個(gè)外設(shè)，建議在每個(gè)外設(shè)之前放置一個(gè)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換器，而不是僅在控制器之后使用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，如圖2 所示。

圖2 使用RS0204器件的SPI接口

3、UART

? 通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 作為一種硬件器件，可支持雙信號(hào)或四信號(hào)異步全雙工通信接口。UART 負(fù)責(zé)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行發(fā)送，或反向轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行接收。在雙信號(hào) UART 接口中，兩個(gè)信號(hào)是主機(jī)發(fā)送(TX) 信號(hào)和主機(jī)接收 (RX) 信號(hào)。四信號(hào)接口包括 RX 信號(hào)和 TX 信號(hào)，還有用于握手的請(qǐng)求發(fā)送 (RTS) 和允許發(fā)送 (CTS) 信號(hào)。數(shù)據(jù)幀包含低電平起始位、數(shù)據(jù)位、可選奇偶校驗(yàn)位和停止位。雖然 UART 會(huì)處理數(shù)據(jù)成幀、生成和接收數(shù)據(jù)，但不會(huì)定義器件之間的通用信令方法。UART 輸出是器件工作電壓下的信號(hào)，例如2.5V。這些信號(hào)可在工作電壓電平相同的兩個(gè) UART 之間的短距離內(nèi)使用。常規(guī)情況并非如此，因此通常會(huì)將來(lái)自 UART 的信號(hào)發(fā)送到線路驅(qū)動(dòng)器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232或RS-485等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)允許通過(guò)定義的信號(hào)特性進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的通信。RS-232 使用–12V至12V的電壓范圍來(lái)改善線路上的噪聲容限。RS-485使用差分對(duì)來(lái)發(fā)送信號(hào)。RS-485和RS-232 標(biāo)準(zhǔn)都使用 UART 數(shù)據(jù)成幀，但需要一個(gè)收發(fā)器來(lái)反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換 UART 信號(hào)。UART 是異步的，因此沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)。相反，在 UART 中，兩個(gè)通信器件都必須配置為使用波特率，相當(dāng)于每秒位數(shù) (bps)。UART 通常被認(rèn)為是速度在 300bps 到 115kbps 之間的低速接口。

? 若要在不同電壓電平下運(yùn)行的兩個(gè)器件之間使用 UART，需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器。根據(jù)系統(tǒng)配置，可使用RS1T45或RS4T245電壓轉(zhuǎn)換器。

圖3使用 RS1T45進(jìn)行兩線制UART電壓轉(zhuǎn)換

圖4使用 RS4T245進(jìn)行四線制UART電壓轉(zhuǎn)換

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? 另一種常見(jiàn)的UART配置是運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的 UART。若要在此配置中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，可使用RS4T245。相關(guān)設(shè)置與四線制UART相同，兩個(gè)方向引腳都被拉到VCCA。在此配置中，兩條TX線路將在同一方向上運(yùn)行，與兩條RX線路的方向相反，如圖5所示

圖5 使用RS4T245進(jìn)行兩個(gè)兩線制UART接口的電壓轉(zhuǎn)換

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4、JTAG聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組

? 聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組 (JTAG) 開(kāi)發(fā)了同名的硬件接口 (JTAG)，用于對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試、驗(yàn)證和編程。JTAG 在運(yùn)行過(guò)程中通常使用五個(gè)線路：TCK、TMS、TDI、TDO 和 TRST，如表4所示。測(cè)試時(shí)鐘 (TCK) 提供數(shù)據(jù)輸入和輸出的時(shí)序。測(cè)試模式選擇 (TMS) 允許用戶選擇將要測(cè)試的內(nèi)容。測(cè)試數(shù)據(jù)輸入 (TDI) 將要測(cè)試的數(shù)據(jù)輸入到被測(cè)器件，產(chǎn)生的結(jié)果在測(cè)試數(shù)據(jù)輸出 (TDO) 上輸出。最后一個(gè)信號(hào)是測(cè)試復(fù)位 (TEST)，作為一個(gè)可選信號(hào)，它能夠?qū)?JTAG 復(fù)位到最后一次已知的良好狀態(tài)。

?JTAG 與 SPI 類似，因此電壓轉(zhuǎn)換器的配置也類似。主要區(qū)別在于 JTAG 有四條線路在一個(gè)方向上運(yùn)行，而另一條線路在相反方向上運(yùn)行。要在低電壓FPGA或處理器與JTAG探頭之間啟用JTAG接口，建議使用RS0204，并采用如圖6所示的配置。或者，對(duì)于五線制JTAG接口，可使用一個(gè)用于TCK、TMS、TDI和TRST信號(hào)線路的RS4T245和一個(gè)用于在另一個(gè)方向上運(yùn)行的 TDO 線路的RS1T45。

圖6 使用RS0204進(jìn)行JTAG電壓轉(zhuǎn)換

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四、總結(jié)

? 江蘇潤(rùn)石適用于不同接口的電平轉(zhuǎn)換器

圖6 使用RS0204進(jìn)行JTAG電壓轉(zhuǎn)換

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五、江蘇潤(rùn)石電平轉(zhuǎn)換器替代表