早期的個(gè)人電腦以串行和并行端口作為與外部世界連接的標準接口。這些標準是從最早的大型計算機繼承而來(lái)的。另一個(gè)可用的通訊標準R S-232 接口，雖然速度慢，但因為可簡(jiǎn)單地實(shí)現所需要的魯棒隔離，很適合醫療和工業(yè)環(huán)境。由于得到廣泛使用并有良好的支持，人們容忍了其速度低和點(diǎn)對點(diǎn)的缺點(diǎn)。

 

USB接口已取代R S-232，成為個(gè)人電腦及其外設的標準端口，其特性幾乎在所有方面都遠遠優(yōu)于較老的串行端口。然而，對于要求隔離 的醫療和工業(yè)應用，由于實(shí)現隔離的難度大且成本高，USB一直主要用作診斷端口和臨時(shí)連接。

 

本文討論了對USB實(shí)現隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現提供了一個(gè)新的可選方案— ADuM41601 USB隔離器。這一突破性 產(chǎn)品可簡(jiǎn)單廉價(jià)地實(shí)現外設隔離（特別是D+和D-線(xiàn)的隔離），提高了USB在醫療和工業(yè)應用中的使用價(jià)值。

 

關(guān)于通用串行總線(xiàn)

 

USB是個(gè)人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業(yè)操作系統的支持，且允許硬件和驅動(dòng)器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127 個(gè)設備。許多數據傳輸模式可處理存儲設備的大批量數據傳輸、流媒體的同步傳輸以及時(shí)間關(guān)鍵型數據的中斷驅動(dòng)型傳輸（如鼠標移動(dòng)）等各類(lèi)傳輸。 USB以三種數據傳輸速率運行：低速 (1.5Mbps)、全速 (12Mbps) 和高速(480Mbps)。該規范創(chuàng )建后強化了 消費應用，這些應用要求連接必須簡(jiǎn)單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來(lái)解決復雜性的問(wèn)題。

 

USB物理層只包含4條線(xiàn)：兩條向外設提供5V電源和地，另外兩條（D+和D-）構成可傳 遞差分數據的雙絞線(xiàn)對（圖1）。這些線(xiàn)也可傳遞 單端數據以及用無(wú)源電阻實(shí)現的空閑狀態(tài)。當設備 連接到總線(xiàn)上時(shí)，無(wú)源電阻結構中的電流對傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無(wú)驅動(dòng)的空 閑狀態(tài)。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時(shí)鐘同步位、數據類(lèi)型標識符、設備地址、數據有效載荷及包尾序列。

 

圖1. USB的標準組成。

 

串行接口引擎(SIE) 在電纜的兩端對這個(gè)復雜的數據結構進(jìn)行控制，這個(gè)專(zhuān)用控制器（或作為更大控制器的一部分）實(shí)現USB協(xié)議，通常內置 USB收發(fā)器硬件。當某個(gè)外設首次連接到電纜上時(shí)，SIE在枚舉，2期間向宿主計算機提供外設的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE 把所有數據按照要求的傳輸類(lèi)型格式化,并提供錯誤檢查和自動(dòng)故障處理。SIE處理總線(xiàn)上的所有控制流，并按需要使能和禁用線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器。主機 啟動(dòng)所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規定的數據序列在主機和外設之間交換數據，包括數據損壞和出現其它故障的情況。SIE可以?xún)冉ㄔ谖⑻幚砥髦?，因此它可能只?D+和D-線(xiàn)與外設相連。實(shí)現這個(gè)總線(xiàn)的隔離面臨幾個(gè)挑戰：

 

1. 隔 離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線(xiàn)是雙向的。

2. SIE不提供確定數據傳輸方向的外部方式。

3. 隔離器必須與無(wú)源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側的電路匹配。

 

隔離USB的典型方法主要是設法回避上述挑戰。

 

第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設備完全分離（圖2）。許多設備可把其它通用的串行總線(xiàn)與USB連接；圖2中顯示了R S-232與USB 的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能；隔離是在低速串行線(xiàn)中實(shí)現的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢，所實(shí)現的是一個(gè)可熱 插拔的串行端口。接口芯片可通過(guò)改變固件來(lái)實(shí)現定制，以識別外設，從而允許創(chuàng )建定制的驅動(dòng)程序；但每個(gè)外設可能都需要一個(gè)定 制的適配器。除非該適配器是永久連在這個(gè)外設上，否則這將是維修人員的噩夢(mèng)。此外，接口的速度將被限制在標準R S-232的速度，甚 至遠低于低速USB的吞吐量。

 

圖2.通過(guò)RS-232隔離。

 

第二種方法: 使用帶有易隔離接口的獨立SIE（圖3）。市場(chǎng)上有幾種產(chǎn)品（如SPI）使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數字隔離器 （如 ADuM1401C 四通道數字隔離器）可對SPI 總線(xiàn)實(shí)現完全隔離。由于SIE包含可通過(guò)SPI總線(xiàn)填充的緩沖存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴(lài)于USB的速度。SIE將與USB主機協(xié)商其可能的最高 連接速度，并以協(xié)商得出的總線(xiàn)速度分發(fā)數據，直到把緩沖中的數據傳遞完。此時(shí)，SIE會(huì )通知主機如果有更多的數據需要傳送則重試，并留出時(shí)間使 SPI接口可為下一個(gè)傳輸循環(huán)重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設驅動(dòng)程序，并忽視內置在外設的微處理器中的 USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。

 

圖3. 通過(guò)SPI接口隔離SIE。

 

第三種方法: 如果微處理器的SIE使用外部收發(fā)器，則可以對微處理器和收發(fā)器之間的數據和控制線(xiàn)進(jìn)行隔離（圖4）。但是，這種方式要求在SIE 和收發(fā)器之間有9條單向數據線(xiàn)。在高速數字隔離器中，這將帶來(lái)極大的成本問(wèn)題。此外，現有的速度最快的數字隔離器工作在約150M b p s，雖然遠高于低速和全速 USB，但不能處理高速數據，限制了USB接口的速度范圍。該方案與為微處理器SIE提供的USB驅動(dòng)器完全 兼容，可降低開(kāi)發(fā)成本，但需使用多個(gè)隔離通道致使實(shí)現成本高昂。此類(lèi)收發(fā)器接口將被集成度要求日益提高的市場(chǎng)所淘汰。

 

圖4. 隔離的外部USB收發(fā)器。

 

第四種方法:直接在D+和D-線(xiàn)線(xiàn)中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現有的USB應用中添加D+/D-隔離，而無(wú)需重寫(xiě)驅動(dòng)程序或增加冗余 SIE，同其它方法相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但是，D+和D-線(xiàn)的隔離較為復雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許 在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運行不應要求額外的設備驅動(dòng)程序相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

 

圖5. 隔離D+/D-線(xiàn)。

 

新型芯片級器件ADuM4160 USB隔離器解決了這些挑戰性難題（圖6），它支持低速和全速USB的D+和D-線(xiàn)直接隔離.

 

圖6. ADuM4160的框圖。

 

ADI公司的 iCoupler® 技術(shù)3 特別適合于構建USB隔離器。在開(kāi)發(fā)USB隔離器時(shí)所面臨的主要挑戰是正確確定數據傳輸的方向，以及何時(shí)禁 用驅動(dòng)器以讓總線(xiàn)處在空閑狀態(tài)。USB數據的面向數據包特性使我們可以使用一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定數據方向，免去了整個(gè)SIE的開(kāi)銷(xiāo)。 當總線(xiàn)空閑時(shí)，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅動(dòng)總線(xiàn)。

 

TA D u M4160監視總線(xiàn)的上游和下游部分，等待來(lái)自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時(shí)，則對信號進(jìn)行編碼并傳過(guò)隔離阻障。這些數據被解碼之后， A D u M4160使能輸出驅動(dòng)器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開(kāi)始，由于數據流的方向已得到確認，A D u M4160 將禁用反向隔離通道。只要繼續收到數據，隔離器就沿相同的方向繼續傳輸數據。當USB數據包結束時(shí)，A D u M4160傳輸特殊 的數據—包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應包含在任何數據結構中。A D u M4160可以區分有效數據和包尾標識。包尾標識通知總線(xiàn)返回 空閑狀態(tài)。然后，A D u M4160禁用輸出驅動(dòng)器，并開(kāi)始監視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數據傳輸的方向。

 

此外，當發(fā)生總線(xiàn)錯誤時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器將使A D u M4160返回空閑狀態(tài)。A D u M4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是 iCoupler technology技術(shù)的核心能力之一。

 

隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側支持一個(gè)獨立的USB總線(xiàn)段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當在總線(xiàn)上有某個(gè) 設備需要進(jìn)入初始化序列（稱(chēng)為枚舉）時(shí)，上拉電阻 發(fā)出信號。知道外設的工作速度以及何時(shí)應連接上拉電阻，使枚舉過(guò)程以受控的方 式啟動(dòng)。有幾個(gè)因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設計保證對所有給定的電源組合給出可預測的操作。有時(shí)，如外設需在開(kāi)始 USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話(huà)，外設要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側提供了一個(gè)控制引腳以便由外設來(lái)決定何時(shí)開(kāi)始枚舉。

 

該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設僅需一個(gè)電源。A D u M4160還具有良好的ESD保護能力，通常允許在連接器的D+和D- 引腳沒(méi)有外部保護電路的情況下熱插拔。

 

ADuM4160可按以下三種方式之一使用：:

 

 

下面的示例給出了ADuM4160在這些應用中的連接方法。

 

在 外設 應 用中（圖 7 ），外設有自己的電源，幾乎不需要從 USB 電纜獲 得能量—只需約 10 毫瓦來(lái)驅動(dòng)該隔離器的上游側和上拉電阻。由于 外設以單一速度運行，該隔離器按期望的速度（ 全速 或 低速 ）設置以 硬連線(xiàn)方式與外設連接。如果外設端口具有 高速 性 能 ，那 么 ，它 在 枚 舉期間發(fā)送高速的" chirp "信號。這通常會(huì )啟動(dòng)速度協(xié)商以實(shí)現高速 操 作 ，但 A D u M4160 會(huì )阻斷" chirp "信號并自動(dòng)迫使高速外設運行在 全速模式 。對不帶電源的低功耗外設，可用隔離型 DC/DC 轉換器（如 ADuM5000）給外設供電，而ADuM4160從USB電纜汲取能量。

 

圖7. 隔離的外設端口。

 

在作為集線(xiàn)器隔離器使用時(shí)，ADuM4160把集線(xiàn)器作為外設來(lái)對待（圖8）。A D u M4160設置為全速，其它部分與上面討論的標準外設類(lèi)似。在 A D u M4160的chirp功能干預下，集線(xiàn)器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線(xiàn)器芯片都可以連接到低速和全 速設備的各種組合。集線(xiàn)器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動(dòng)或延遲啟動(dòng)的方式進(jìn)行。集線(xiàn)器要求提供的能量通常 高于上游電纜通過(guò)隔離型DC/DC轉換器供電的能力。

 

圖8. 隔離的集線(xiàn)器。

 

驅動(dòng)隔離的USB 電纜（圖9）需使用DC/DC轉換器為下游端口和電纜供電。為了滿(mǎn)足USB規范的要求，電纜的下游部分必須向外設的上拉電路提供5V電源?？墒褂?ADuM5000等隔離型DC/DC轉換器可以用于提供這個(gè)電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower® 器件.3 這個(gè)應用中， A D u M4160以硬連線(xiàn)連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個(gè)USB速度運行，要切換速度模式須重新接線(xiàn)或通過(guò)簡(jiǎn)單 的開(kāi)關(guān)以手動(dòng)方式切換或采用更復雜的電路，這依賴(lài)于末端用戶(hù)的需求。

 

圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

 

結束語(yǔ)

 

USB 已融入我們的生活。 ADI 公司具有突破性的 A D u M4160 隔離器可 在 USB 應用中簡(jiǎn)單而廉價(jià)地實(shí)現外設隔離，進(jìn)而使 USB 在醫療和工 業(yè)應用領(lǐng)域的應用遠遠超出診斷端口和臨時(shí)連接的范圍。著(zhù)重于在D+/D– 線(xiàn)中提供隔離， ADuM4160 極大地簡(jiǎn)化了隔離的實(shí)現。它支持 全速 和 低速 運行，可滿(mǎn)足眾多應用的帶寬要求。

 

 

參考電路

 

¹在 www.analog.com.可找到ADI公司所有器件的信息。

 

²www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/standard-digital-isolators.html.

 

³www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/isopower.html.

 

 

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