双向逻辑电平转换器使用指南

一、引言

在电子设备连接中，我们常常会遇到不同电压设备之间的兼容性问题。比如，3.3V的I²C或SPI传感器连接到5V的Arduino时，可能会因电压不匹配而损坏；或者5V的设备要与3.3V的树莓派、Arduino Due或pcDuino兼容，也需要解决电压转换问题。这时，就需要一个能将3.3V转换为5V，或者将5V转换为3.3V的设备，这就是逻辑电平转换。为了解决这个常见的难题，我们设计了双向逻辑电平转换器（Bi - Directional Logic Level Converter，简称BD - LLC）。

文件下载：BOB-12009.pdf

大家可以思考一下，在自己的项目中有没有遇到过类似的电压不匹配问题呢？

二、教程内容概述

本教程将深入介绍双向逻辑电平转换器。我们会分析其原理图和电路板布局，解释板上每个引脚的功能。最后，会给出一些连接示例，展示如何将该板用于不同的接口。

建议在阅读本教程前，先了解一些相关知识，如逻辑电平、面包板的使用、Arduino的原理、焊接技巧以及电线的处理等。

三、电路板概述

（一）电路原理

双向逻辑电平转换器实际上是一个非常简单的设备。电路板上基本有一个电平转换电路，这个电路重复四次，形成四个电平转换通道。该电路使用一个N沟道MOSFET和几个上拉电阻来实现双向电平转换。通过半导体的特性，这个电路可以将低电压信号转换为高电压信号，或者将高电压信号转换为低电压信号，且一端的0V信号在另一端仍为0V信号。如果想对这个电路进行全面分析，可以参考飞利浦的应用笔记AN97055。

（二）引脚分布

BD - LLC总共有12个引脚，分为两排并行的6个引脚头。一排包含所有的高电压（如5V）输入和输出引脚，另一排包含所有的低电压（如3.3V）引脚。引脚在电路板的底部和顶部都有标注，并进行了分组。

1. 电压输入引脚：标有HV、LV和两个GND的引脚为电路板提供高、低电压参考。必须为这两个输入提供稳定、经过调节的电压，且HV和GND输入的电压应高于LV端的电压。例如，从5V到3.3V的接口转换时，HV引脚的电压应为5V，LV引脚的电压应为3.3V。
2. 数据通道引脚：BD - LLC上有四个独立的数据通道，每个通道都能在高、低电压之间转换数据。这些引脚分别标为HV1、LV1、HV2、LV2、HV3、LV3、HV4和LV4。每个标签末尾的数字表示引脚所在的通道，HV或LV前缀表示该引脚位于通道的高电压端还是低电压端。例如，输入到LV1的低电压信号会被转换为高电压信号并从HV1输出；输入到HV3的信号会被转换为低电压信号并从LV3输出。可以根据项目需要使用尽可能多的通道，不一定要使用所有通道。需要注意的是，这些电平转换器是纯数字的，不能将模拟电压从一个最大电压映射到另一个最大电压。

四、连接示例

（一）组装

在将转换器插入系统之前，需要进行焊接。有多种选择，可以焊接直插式公引脚头，然后直接插入面包板；也可以直接焊接电线。选择的组装方法应与使用电路板的方式相匹配。

（二）不同通信协议的连接

1. 串口通信（Serial）：虽然不会利用BD - LLC的双向功能，但使用该板进行串口通信的电平转换是完全可行的。串口通信通常需要两根信号线——RX（接收）和TX（发送），它们都有明确的方向。这些信号可以通过BD - LLC的四个通道中的任何一个。例如，要将一个最大输入电压为3.6V的Electric Imp Breakout Board通过UART连接到Arduino Uno，需要确保LV供电为3.3V，HV供电为5V，检查通道是否匹配，就可以进行电平转换了，还剩下两个额外的通道可以根据需要使用。
2. SPI通信：BD - LLC的四个通道非常适合大多数SPI通信。SPI通常需要四根线：MOSI（主设备输出，从设备输入）、MISO（主设备输入，从设备输出）、SCLK（串行时钟）和CS（芯片选择）。这四根线可以分别通过BD - LLC的一个通道。例如，要将Arduino连接到工作电压范围为2.0 - 3.6V的ADXL345 Breakout Board，由于BD - LLC的每个通道都是双向的，SPI的四条线可以通过BD - LLC的任何四个通道。
3. I²C通信：I²C通信标准是BD - LLC真正发挥作用的地方，因为它要求数据和时钟信号（SDA和SCL）都是双向的。这些线可以通过BD - LLC的任何电平转换通道。例如，使用ADXL345 Breakout板并切换到I²C接口，还可以添加另一个I²C设备，如L3G4200D Gyroscope Breakout。由于I²C是两线接口，两个3.3V的I²C设备可以共享相同的经过电平转换的SDA和SCL线，只要它们有唯一的地址，还可以添加更多的I²C设备。

大家可以根据自己的项目需求，选择合适的通信协议和连接方式，尝试使用双向逻辑电平转换器解决电压不匹配的问题。