在設計系統時，最重要的設計決策之一是選擇要使用的電壓域。某些電壓域（例如 5 V）適用于嘈雜和惡劣的操作環境，例如工業應用中的環境，而其他電壓域（例如 3.3 V）通常用于無線通信。然而，每個電壓域都增加了設計的復雜性，并且需要一種跨域通信的方法。在這個兩篇系列文章的第一篇文章中，將介紹一種稱為多電壓 I/O (MVIO) 的新型微控制器中的電平轉換外設。MVIO 降低了跨域通信所需的設計復雜性和部件數量。

在設計系統時，理想情況下只需要一個電壓域，這樣可以使設計過程簡單明了。在許多情況下，單個域是不可能的，因為許多傳感器和模塊僅在特定邏輯級別可用。藍牙和其他無線通信模塊經常在 3.3-V 域中運行，而工業應用則傾向于使用 5-V 邏輯以在惡劣的操作環境中獲得更高的抗噪性。1.8V 操作在微處理器和其他高性能設備中也很常見。

在跨電壓域進行通信時，從一個域轉換到另一個域非常重要。大多數設備無法正確處理施加到其輸入引腳的更高（高于工作）電壓。這可能會導致設備損壞或出現意外行為。例如，考慮一個連接到 3.3V 微控制器的工業 5V 傳感器。傳感器將向微控制器的輸入端施加 5 V 電壓，這可能會損壞設備或其他連接的電路。圖 1 顯示了AVR DB微控制器系列器件的絕對最大額定值。在這種情況下，5 V 輸入信號超過了由 3.3 V 供電時的引腳額定值。

圖 1 I/O 引腳限制示例是根據 AVR DB 微控制器數據表中的表 39-1 創建的。資料來源：微芯片

另一個可能出現的問題是信號輸入可能無法滿足所需的低或高輸入電壓閾值（圖 2）。這可能導致邊際操作行為。該設計可能根本不起作用，或者更糟糕的是，它可能會在特定的邊緣情況或操作條件下起作用。

圖 2 根據 AVR DB 微控制器數據表中的表 39-7 創建了 I/O 引腳閾值示例。資料來源：微芯片

這個問題的標準解決方案是在設計中添加一個外部電平轉換器。電平轉換器在兩個電壓域上運行并從 A 轉換到 B，反之亦然。但是電平轉換器會給設計帶來成本和問題。有許多不同尺寸和類型的電平轉換器，具有不同的功能集。

大型復雜設計可能需要電平轉換器的多種變體來滿足設計要求。例如，I 2 C 必須與雙向電平轉換器一起使用，而串行總線（如 SPI）在兩個域上都有專用輸入和輸出的更快的單向電平轉換器將更好地工作。此外，每個外部電平轉換器都會增加材料清單 (BOM) 和 PCB 空間。

為了消除與使用外部電平轉換器相關的面積和費用，Microchip 推出了一種稱為多電壓 I/O 或 MVIO 的新外設。它已被引入 AVR DB 微控制器系列。MVIO 允許微控制器的一個端口在與設備其余部分不同的電壓域中運行。這個特殊端口仍然保留了微控制器 I/O 的正常數字可配置性。由于 MVIO 功能對硬件是透明的，因此數字外圍設備將像往常一樣在端口上運行（通電時）。這允許基于硬件的 I 2 C、SPI、UART、PWM 和其他外設發揮作用并提高微控制器的電源效率和性能（圖 3）。

圖 3 一個工業應用程序將自己呈現為 MVIO 的一個可能用例。資料來源：微芯片

關鍵 MVIO 功能

MVIO 是真正的電平轉換。MVIO 端口可以在比微控制器其余部分更高或更低的電壓下運行。目前，MVIO 在 AVR DB 系列上的推薦工作電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V。在這里，MVIO 需要專用電源才能運行，但不需要電源排序。如果主微控制器電源或 MVIO 電源低于所需的最小值，則 MVIO 引腳為三態。

電源恢復時引腳的行為取決于哪個電源掉電。在 MVIO 電源斷電的情況下，I/O 將在上電時返回其寄存器設置。如果微控制器電源斷電，則當微控制器重新啟動時，引腳將重置為上電復位 (PoR) 默認值。

在運行期間，微控制器可以通過三種方式監控 MVIO 的操作：

輪詢電源狀態

中斷電源狀態更改

使用 ADC 進行測量

MVIO 狀態寄存器指示 MVIO 的電源是否超過最低電壓要求。該位可以由微控制器輪詢，或者當它改變狀態時可以產生一個中斷。此外，微控制器中的模數轉換器 (ADC) 可以通過內部 10 倍分壓器網絡測量 MVIO 電源。

MVIO的簡單演示

顯示 MVIO 的一種直觀方式是在觀察數字輸出的同時調制電源電壓。這會創建混合信號波形，跟蹤 MVIO 的電源，同時由數字 I/O 選通。以下演示中的模擬波形是通過板載數模轉換器 (DAC) 在 AVR DB 微控制器上創建的，并由一個內部運算放大器進行緩沖，以為 MVIO 端口供電。

運算放大器也可用于在其他應用中為 MVIO 供電，但它有兩個重要的注意事項：

運算放大器的最大和最小輸出電壓受微控制器電源和輸出電流量的限制。

此設置的靜態電流遠高于專用電源穩壓器的靜態電流。

在本演示中，DAC 中的值每 10 μs 從定時器/計數器 B (TCB) 中斷服務程序 (ISR) 更新一次，如圖 4 所示。ISR 要么從查找表中讀取一個值，要么計算來自預編程公式的 DAC 值。確切的行為取決于正在生成的波形；正弦波由固定查找表合成，而其他波形由微控制器計算。

圖 4 使用AVR128DB48微控制器的 MVIO 演示框圖。資料來源：微芯片

為了顯示數字功能，在 MVIO 端口上設置了脈寬調制 (PWM) 輸出。定時器/計數器 D (TCD) 創建一個 250-kHz PWM 信號，占空比為 50%。但是，由于 TCD 在 MVIO 端口上沒有輸出，因此使用可配置自定義邏輯 (CCL) 的一個單元將信號傳遞到 MVIO I/O 引腳。

生成的輸出波形如下圖 5 所示。DAC 為 MVIO 電源生成一個固定的 1kHz 正弦波，帶有電壓偏移，因此 MVIO 電源不會降至最低工作電平以下并關閉。

圖 5 這是演示的結果輸出波形。
1.8 V 與 MVIO 接口

為了演示 MVIO 的更實際應用，Microchip 與另一家半導體解決方案供應商 Melexis 共同開發了演示；該演示使用其MLX90392 3D 磁力計作為窗戶安全傳感器。簧片開關是檢測窗戶是打開還是關閉的常用方法，但開關很容易被放置在它們附近的外部磁鐵欺騙。相比之下，MLX90392 磁力計測量三個維度的磁場，使其更能抵抗此類攻擊。用戶還可以對自定義的打開/關閉窗口閾值進行編程，以允許稍微打開窗口而無需解除系統武裝。

MLX90392 磁力計通過 1.8 V 的 I 2 C 與微控制器通信。通常，這需要一個外部電平轉換器，但由于微控制器上提供了 MVIO，因此不需要電平轉換器。此外，還實施了MLX90632遠紅外線 (FIR) 傳感器來執行室溫監測。該傳感器由 3.3 V 供電，但有一個變體，也可以在 1.8 VI 2 C 總線上通信。

本演示中的第二個電壓域為 3.3 V。該域為微控制器和RN4870藍牙模塊供電。實現了藍牙通信，以允許演示與智能手機進行交互，而無需使用專門的硬件。在生產應用中，其他更簡單、功耗更低的無線通信方法，如Sub-GHz無線電，可能會為每個監控節點做出更好的選擇。