ADI:运用数字阻隔器简化医疗和工业使用中的 USB 阻隔

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现在在办公室和家庭中运用的标准信息处理设备—个人电脑 (PC)，运用通用串行总线(U S B) 与大多数外设进行通讯。标准化、低本钱及软件和开发工具的支撑已使个人电脑成为医疗和工业运用很具吸引力的主处理器渠道，但这些添加中的商场对安全性和牢靠性要求（特别是在电气阻隔方面）与一向以来推进个人电脑开展的办公室环境有很大不同。

前期的个人电脑以串行和并行端口作为与外部国际衔接的标准接口。这些标准是从最早的大型计算机承继而来的。另一个可用的通讯标准R S-232接口，尽管速度慢，但因为可简略地完结所需求的鲁棒阻隔，很合适医疗和工业环境。因为得到广泛运用并有杰出的支撑，人们容忍了其速度低和点对点的缺陷。

USB接口已替代R S-232，成为个人电脑及其外设的标准端口，其特性简直在一切方面都远远优于较老的串行端口。可是，关于要求阻隔的医疗和工业运用，因为完结阻隔的难度大且本钱高，USB一向首要用作确诊端口和暂时衔接。

本文评论了对USB完结阻隔的各种办法。值得特别介绍的是，ADI公司现供给了一个新的可选计划—ADuM4160¹ USB阻隔器。这一突破性产品可简略廉价地完结外设阻隔（特别是D+和D-线的阻隔），进步了USB在医疗和工业运用中的运用价值。

关于通用串行总线

USB是个人电脑的首选串行接口。该接口得到一切常用的商业操作系统的支撑，且答应硬件和驱动器热插拔。一台主机能够会集星型办法衔接多达127个设备。许多数据传输形式可处理存储设备的大批量数据传输、流媒体的同步传输以及时刻要害型数据的中止驱动型传输（如鼠标移动）等各类传输。USB以三种数据传输速率运转：低速 (1.5Mbps)、全速 (12Mbps) 和高速(480Mbps)。该标准创立后强化了消费运用，这些运用要求衔接有必要简略且具有鲁棒性，由操控器和物理层信令来处理杂乱性的问题。

USB物理层只包括4条线：两条向外设供给5V电源和地，别的两条（D+和D-）构成可传 递差分数据的双绞线对（图1）。这些线也可传递单端数据以及用无源电阻完结的闲暇状况。当设备 衔接到总线上时，无源电阻结构中的电流对传输速度进行洽谈，并树立无驱动的闲暇状况。数据被安排成数据帧或数据包，每帧能够包括时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有用载荷及包尾序列。

串行接口引擎(SIE) 在电缆的两头对这个杂乱的数据结构进行操控，这个专用操控器（或作为更大操控器的一部分）完结USB协议，一般内置USB收发器硬件。当某个外设初次衔接到电缆上时，SIE在枚举，2期间向宿主计算机供给外设的装备信息和功率要求。在运转期间，SIE把一切数据依照要求的传输类型格式化,并供给过错查看和主动毛病处理。SIE处理总线上的一切操控流，并按需求使能和禁用线驱动器和接收器。主机发动一切的处理事务，然后按明确规定的数据序列在主机和外设之间交流数据，包括数据损坏和呈现其它毛病的状况。SIE能够内建在微处理器中，因而它或许只需D+和D-线与外设相连。完结这个总线的阻隔面对几个应战：

1. 隔 离器简直总是单向器材，而D+和D-线是双向的。
2. SIE不供给承认数据传输方向的外部办法。
3. 阻隔器有必要与无源电阻的上拉和下拉功用兼容，即与阻隔阻障两头的电路匹配。

阻隔USB的典型办法首要是设法逃避上述应战。

榜首种办法: 使USB接口与需求阻隔的设备彻底别离（图2）。许多设备可把其它通用的串行总线与USB衔接；图2中显现了R S-232与USB的衔接接口。SIE供给一般的串行接口功用；阻隔是在低速串行线中完结的。但这种办法并不能运用USB的优势，所完结的是一个可热插拔的串行端口。接口芯片可经过改动固件来完结定制，以辨认外设，然后答应创立定制的驱动程序；但每个外设或许都需求一个定制的适配器。除非该适配器是永久连在这个外设上，不然这将是修理人员的噩梦。此外，接口的速度将被约束在标准R S-232的速度，乃至远低于低速USB的吞吐量。

第二种办法: 运用带有易阻隔接口的独立SIE（图3）。商场上有几种产品（如SPI）运用快速单向接口把SIE衔接到微处理器。数字阻隔器（如 ADuM1401C 四通道数字阻隔器）可对SPI总线完结彻底阻隔。因为SIE包括可经过SPI总线填充的缓冲存储器，SPI的运转速度在很大程度上可不依赖于USB的速度。SIE将与USB主机洽谈其或许的最高衔接速度，并以洽谈得出的总线速度分发数据，直到把缓冲中的数据传递完。此刻，SIE会告诉主机假如有更多的数据需求传送则重试，并留出时刻使SPI接口可为下一个传输循环从头填充缓存。尽管十分有用，这种计划一般要求修正外设驱动程序，并忽视内置在外设的微处理器中的USB电路。该计划在元件和电路板尺度方面的本钱较高。

第三种办法: 假如微处理器的SIE运用外部收发器，则能够对微处理器和收发器之间的数据和操控线进行阻隔（图4）。可是，这种办法要求在SIE和收发器之间有9条单向数据线。在高速数字阻隔器中，这将带来极大的本钱问题。此外，现有的速度最快的数字阻隔器作业在约150M b p s，尽管远高于低速和全速USB，但不能处理高速数据，约束了USB接口的速度规模。该计划与为微处理器SIE供给的USB驱动器彻底兼容，可下降开发本钱，但需运用多个阻隔通道致使完本钱钱昂扬。此类收发器接口将被集成度要求日益进步的商场所筛选。

第四种办法:直接在D+和D-线线中刺进阻隔（图5）。这种办法答应在现有的USB运用中添加D+/D-阻隔，而无需重写驱动程序或添加冗余SIE，同其它办法比较，这是一个很大的长处。可是，D+和D-线的阻隔较为杂乱，因为阻隔器材有必要能够像SIE那样处理操控流，答应在阻隔屏障两头运用上拉电阻，并承认传输速度。别的，其运转不该要求额定的设备驱动程序相关的开支。

新式芯片级器材ADuM4160 USB阻隔器处理了这些应战性难题（图6），它支撑低速和全速USB的D+和D-线直接阻隔.

ADI公司的 iCoupler^® 技能³ 特别合适于构建USB阻隔器。在开发USB阻隔器时所面对的首要应战是正确承认数据传输的方向，以及何时禁用驱动器以让总线处在闲暇状况。USB数据的面向数据包特性使咱们能够运用一种简略的办法来承认数据方向，免去了整个SIE的开支。当总线闲暇时，上拉和下拉电阻使USB保持在闲暇状况，缓冲器不再驱动总线

TA D u M4160监督总线的上游和下流部分，等候来自任何方向的跃迁信号。当检测到跃迁信号时，则对信号进行编码并传过阻隔阻障。这些数据被解码之后，A D u M4160使能输出驱动器在电缆的另一段上进行传输。从榜首次传送开端，因为数据流的方向已得到承认，A D u M4160将禁用反向阻隔通道。只需持续收到数据，阻隔器就沿相同的方向持续传输数据。当USB数据包结束时，A D u M4160传输特别的数据—包尾序列。包尾序列包括非差分信号，而非差分信号不该包括在任何数据结构中。A D u M4160能够区别有用数据和包尾标识。包尾标识告诉总线回来闲暇状况。然后，A D u M4160禁用输出驱动器，并开端监督上游和下流输入的下一次跃迁，该信号将决议下一次数据传输的方向。

此外，当发作总线过错时，看门狗定时器将使A D u M4160回来闲暇状况。A D u M4160运用了根据跃迁的阻隔计划，根据跃迁的阻隔是iCoupler technology技能的中心才能之一.

阻隔器还有必要支撑上拉和下拉电阻。阻隔器的每侧支撑一个独立的USB总线段，在闲暇状况衔接一切的偏置电阻。当在总线上有某个设备需求进入初始化序列（称为枚举）时，上拉电阻 宣布信号。知道外设的作业速度以及何时应衔接上拉电阻，使枚举进程以受控的办法发动。有几个要素影响上游上拉电阻的状况。上游和下流电源电压或许有多种组合，阻隔器的规划确保对一切给定的电源组合给出可猜测的操作。有时，如外设需在开端USB枚举之前完结自己的本地初始化的话，外设要求推迟启用上游的上拉电阻。ADuM4160在其下流侧供给了一个操控引脚以便由外设来决议何时开端枚举。

该器材还能够作业于5V或3.3V电源，因而，外设仅需一个电源。A D u M4160还具有杰出的ESD维护才能，一般答应在衔接器的D+和D-引脚没有外部维护电路的状况下热插拔。

ADuM4160可按以下三种办法之一运用：:

• 装置在外设中以阻隔其上游端口。A D u M4160是以这个装备为根底运用规划的，该规划极大地简化了电源和操控装备（图7）。
• 可用来阻隔集线器以及集线器一切的下流外设（图8）。
• 可用于阻隔电缆（图9）。

下面的示例给出了ADuM4160在这些运用中的衔接办法。

在 外设 应 用中（图7），外设有自己的电源，简直不需求从USB电缆取得能量—只需约10毫瓦来驱动该阻隔器的上游侧和上拉电阻。因为外设以单一速度运转，该阻隔器按希望的速度（全速或低速）设置以硬连线办法与外设衔接。假如外设端口具有高速性 能 ，那 么 ，它 在 枚举期间发送高速的”chirp”信号。这一般会发动速度洽谈以完结高速操 作 ，但A D u M4160会阻断”chirp”信号并主动迫使高速外设运转在全速形式。对不带电源的低功耗外设，可用阻隔型DC/DC转换器（如 ADuM5000）给外设供电，而ADuM4160从USB电缆罗致能量。

在作为集线器阻隔器运用时，ADuM4160把集线器作为外设来对待（图8）。A D u M4160设置为全速，其它部分与上面评论的标准外设相似。在A D u M4160的chirp功用干涉下，集线器被逼以全速运转。即便ADuM4160以固定的速度运转，集线器芯片都能够衔接到低速和全速设备的各种组合。集线器向下流端口的阻隔器供给能量，枚举能够以上电发动或推迟发动的办法进行。集线器要求供给的能量一般高于上游电缆经过阻隔型DC/DC转换器供电的才能。

驱动阻隔的USB电缆（图9）需运用DC/DC转换器为下流端口和电缆供电。为了满意USB标准的要求，电缆的下流部分有必要向外设的上拉电路供给5V电源。可运用ADuM5000等阻隔型DC/DC转换器能够用于供给这个电源，别的，它还有满意的裕量为下流功率要求低的设备供给能量。图9显现了ADuM5000 isoPower^® 器材.³ 这个运用中，A D u M4160以硬连线衔接的速度引脚有些不方便。该电缆每次只能以一个USB速度运转，要切换速度形式须从头接线或经过简略的开关以手动办法切换或选用更杂乱的电路，这依赖于结尾用户的需求。

结束语

USB已融入咱们的日子。ADI公司具有突破性的A D u M4160阻隔器可在USB运用中简略而廉价地完结外设阻隔，进而使USB在医疗和工业运用领域的运用远远超出确诊端口和暂时衔接的规模。着重于在D+/D–线中供给阻隔，ADuM4160极大地简化了阻隔的完结。它支撑全速和低速运转，可满意很多运用的带宽要求。

参阅电路

¹在 www.analog.com.可找到ADI公司一切器材的信息。

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

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