深度解析 51 单片机电平特性

　　单片机，又称单片微控制器，它并非仅仅是完成某一个逻辑功能的芯片，而是将一个计算机系统集成到了一个芯片之上。可以说，它就相当于一个微型的计算机，与普通计算机相比，单片机仅仅缺少了 I/O 设备。简单来讲，一块芯片就构成了一台计算机。其具有体积小、质量轻、价格便宜等显著优点，为学习、应用和开发提供了极大的便利条件。同时，学习使用单片机也是了解计算机原理与结构的途径。
　　单片机作为一种数字集成芯片，在数字电路中只有高电平和低电平这两种电平。为了让初学者对电平特性有一个清晰的认识，我们暂且定义单片机输出与输入为 TTL 电平，其中高电平为 +5V，低电平为 0V。而计算机的串口为 RS - 232C 电平，高电平为 - 12V，低电平为 + 12V。需要强调的是，RS - 232C 电平为负逻辑电平。因此，当计算机与单片机之间进行通信时，就需要添加电平转换芯片。例如在 TX - 1C 单片机实验板上所添加的电平转换芯片是 MAX232（位于实验板左下角）。对于初学者而言，在学习初期掌握这些内容就足够了，若有兴趣，还可以进一步了解常用逻辑电平的相关知识。
　　常用的逻辑电平有 TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL、RS - 232、RS - 422、RS - 485、LVDS 等。其中 TTL 和 CMOS 的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V 系列（5V TTL 和 5V CMOS）、3.3V 系列、2.5V 系列和 1.8V 系列。5V TTL 和 5V CMOS 是通用的逻辑电平，而 3.3V 及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，常用的为 LVTTL 电平，低电压逻辑电平还有 2.5V 和 1.8V 两种。ECL/PECL 和 LVDS 是差分输入 / 输出，RS - 422/485 和 RS - 232 是串口的接口标准，RS - 422/485 是差分输入 / 输出，RS - 232 是单端输入 / 输出。
　　TTL 电平信号在实际应用中使用得为广泛。这是因为在数据表示上通常采用二进制，+5V 等价于逻辑 1，0V 等价于逻辑 0，这种信号系统被称为 TTL（晶体管 - 晶体管逻辑电平）信号系统，它是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL 电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输十分理想。一方面，计算机处理器控制的设备内部的数据传输对电源的要求不高，热损耗也较低；另一方面，TTL 电平信号可以直接与集成电路连接，无需价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而 TTL 接口的操作恰好能够满足这一要求。不过，TTL 型通信大多数情况下采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过 10 英尺的距离就不太适合了，这主要是出于可靠性和成本两方面的考虑。因为在并行接口中存在着偏相和不对称问题，这些问题会对可靠性产生影响；另外，对于并行数据传输，电缆以及连接器的费用比起串行通信方式来也要高一些。
　　CMOS 电平的 Vcc 可达 12V，CMOS 电路输出高电平约为 0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc。在 CMOS 电路中，不使用的输入端不能悬空，否则会造成逻辑混乱。此外，CMOS 集成电路电源电压可以在较大范围内变化，因而对电源的要求不像 TTL 集成电路那样严格。
　　TTL 电路和 CMOS 电路的逻辑电平关系如下：
　　①VOH—— 逻辑电平 1 的输出电压。
　　②VOL—— 逻辑电平 0 的输出电压。
　　③VIH—— 逻辑电平 1 的输入电压。
　　④VIL—— 逻辑电平 0 的输入电压。
　　TTL 电平临界值：
　　①VOHmin = 2.4V，VOLmax = 0.4V。
　　②VIHmin = 2.0V，VILmax = 0.8V。
　　CMOS 电平临界值（设电源电压为 +5V）：
　　①VOHmin = 4.99V，VOLmax = 0.01V。
　　②VIHmin = 3.5V，VILmax = 1.5V。
　　TTL 和 CMOS 的逻辑电平转换方面，CMOS 电平能驱动 TTL 电平，但 TTL 电平不能驱动 CMOS 电平，需加上拉电阻。通常情况下，在判断单片机、DSP、FPGA 之间引脚能否直接相连时，一般来说，同电压的是可以相连的，不过还是仔细查看芯片技术手册上的 VIL、VIH、VOL、VOH 的值，看是否能够匹配。有些情况在一般应用中看似没有问题，但是从参数上看可能不够匹配，在某些情况下可能就不够稳定，或者不同批次的器件可能无法正常运行。