在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，最重要的設(shè)計(jì)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(huán)境，例如工業(yè)應(yīng)用中的環(huán)境，而其他電壓域（例如 3.3 V）通常用于無線通信。然而，每個(gè)電壓域都增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且需要一種跨域通信的方法。在這個(gè)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(zhuǎn)換外設(shè)。MVIO 降低了跨域通信所需的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和部件數(shù)量。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，理想情況下只需要一個(gè)電壓域，這樣可以使設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單明了。在許多情況下，單個(gè)域是不可能的，因?yàn)樵S多傳感器和模塊僅在特定邏輯級(jí)別可用。藍(lán)牙和其他無線通信模塊經(jīng)常在 3.3-V 域中運(yùn)行，而工業(yè)應(yīng)用則傾向于使用 5-V 邏輯以在惡劣的操作環(huán)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(shè)備中也很常見。

在跨電壓域進(jìn)行通信時(shí)，從一個(gè)域轉(zhuǎn)換到另一個(gè)域非常重要。大多數(shù)設(shè)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(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或出現(xiàn)意外行為。例如，考慮一個(gè)連接到 3.3V 微控制器的工業(yè) 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(huì)損壞設(shè)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(duì)最大額定值。在這種情況下，5 V 輸入信號(hào)超過了由 3.3 V 供電時(shí)的引腳額定值。

圖 1 I/O 引腳限制示例是根據(jù) AVR DB 微控制器數(shù)據(jù)表中的表 39-1 創(chuàng)建的。資料來源：微芯片

另一個(gè)可能出現(xiàn)的問題是信號(hào)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(dǎo)致邊際操作行為。該設(shè)計(jì)可能根本不起作用，或者更糟糕的是，它可能會(huì)在特定的邊緣情況或操作條件下起作用。

圖 2 根據(jù) AVR DB 微控制器數(shù)據(jù)表中的表 39-7 創(chuàng)建了 I/O 引腳閾值示例。資料來源：微芯片

這個(gè)問題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案是在設(shè)計(jì)中添加一個(gè)外部電平轉(zhuǎn)換器。電平轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)電壓域上運(yùn)行并從 A 轉(zhuǎn)換到 B，反之亦然。但是電平轉(zhuǎn)換器會(huì)給設(shè)計(jì)帶來成本和問題。有許多不同尺寸和類型的電平轉(zhuǎn)換器，具有不同的功能集。

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

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

圖 3 一個(gè)工業(yè)應(yīng)用程序?qū)⒆约撼尸F(xiàn)為 MVIO 的一個(gè)可能用例。資料來源：微芯片

關(guān)鍵 MVIO 功能

MVIO 是真正的電平轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)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(tài)。

電源恢復(fù)時(shí)引腳的行為取決于哪個(gè)電源掉電。在 MVIO 電源斷電的情況下，I/O 將在上電時(shí)返回其寄存器設(shè)置。如果微控制器電源斷電，則當(dāng)微控制器重新啟動(dòng)時(shí)，引腳將重置為上電復(fù)位 (PoR) 默認(rèn)值。

在運(yùn)行期間，微控制器可以通過三種方式監(jiān)控 MVIO 的操作：

輪詢電源狀態(tài)

中斷電源狀態(tài)更改

使用 ADC 進(jìn)行測(cè)量

MVIO 狀態(tài)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(dāng)它改變狀態(tài)時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)中斷。此外，微控制器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以通過內(nèi)部 10 倍分壓器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量 MVIO 電源。

MVIO的簡(jiǎn)單演示

顯示 MVIO 的一種直觀方式是在觀察數(shù)字輸出的同時(shí)調(diào)制電源電壓。這會(huì)創(chuàng)建混合信號(hào)波形，跟蹤 MVIO 的電源，同時(shí)由數(shù)字 I/O 選通。以下演示中的模擬波形是通過板載數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 在 AVR DB 微控制器上創(chuàng)建的，并由一個(gè)內(nèi)部運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，以為 MVIO 端口供電。

運(yùn)算放大器也可用于在其他應(yīng)用中為 MVIO 供電，但它有兩個(gè)重要的注意事項(xiàng)：

運(yùn)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(shè)置的靜態(tài)電流遠(yuǎn)高于專用電源穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流。

在本演示中，DAC 中的值每 10 μs 從定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 B (TCB) 中斷服務(wù)程序 (ISR) 更新一次，如圖 4 所示。ISR 要么從查找表中讀取一個(gè)值，要么計(jì)算來自預(yù)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(jì)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(shù)字功能，在 MVIO 端口上設(shè)置了脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 D (TCD) 創(chuàng)建一個(gè) 250-kHz PWM 信號(hào)，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(gè)單元將信號(hào)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(gè)固定的 1kHz 正弦波，帶有電壓偏移，因此 MVIO 電源不會(huì)降至最低工作電平以下并關(guān)閉。

圖 5 這是演示的結(jié)果輸出波形。
1.8 V 與 MVIO 接口

為了演示 MVIO 的更實(shí)際應(yīng)用，Microchip 與另一家半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商 Melexis 共同開發(fā)了演示；該演示使用其MLX90392 3D 磁力計(jì)作為窗戶安全傳感器。簧片開關(guān)是檢測(cè)窗戶是打開還是關(guān)閉的常用方法，但開關(guān)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(jì)測(cè)量三個(gè)維度的磁場(chǎng)，使其更能抵抗此類攻擊。用戶還可以對(duì)自定義的打開/關(guān)閉窗口閾值進(jìn)行編程，以允許稍微打開窗口而無需解除系統(tǒng)武裝。

MLX90392 磁力計(jì)通過 1.8 V 的 I 2 C 與微控制器通信。通常，這需要一個(gè)外部電平轉(zhuǎn)換器，但由于微控制器上提供了 MVIO，因此不需要電平轉(zhuǎn)換器。此外，還實(shí)施了MLX90632遠(yuǎn)紅外線 (FIR) 傳感器來執(zhí)行室溫監(jiān)測(cè)。該傳感器由 3.3 V 供電，但有一個(gè)變體，也可以在 1.8 VI 2 C 總線上通信。

本演示中的第二個(gè)電壓域?yàn)?3.3 V。該域?yàn)槲⒖刂破骱蚏N4870藍(lán)牙模塊供電。實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙通信，以允許演示與智能手機(jī)進(jìn)行交互，而無需使用專門的硬件。在生產(chǎn)應(yīng)用中，其他更簡(jiǎn)單、功耗更低的無線通信方法，如Sub-GHz無線電，可能會(huì)為每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)做出更好的選擇。