早(zao)期(qi)的(de)個(ge)人(ren)電(dian)腦(nao)以(yi)串(chuan)行(xing)和(he)並(bing)行(xing)端(duan)口(kou)作(zuo)為(wei)與(yu)外(wai)部(bu)世(shi)界(jie)連(lian)接(jie)的(de)標(biao)準(zhun)接(jie)口(kou)。這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)是(shi)從(cong)最(zui)早(zao)的(de)大(da)型(xing)計(ji)算(suan)機(ji)繼(ji)承(cheng)而(er)來(lai)的(de)。另(ling)一(yi)個(ge)可(ke)用(yong)的(de)通(tong)訊(xun)標(biao)準(zhun)R S-232 接(jie)口(kou)，雖(sui)然(ran)速(su)度(du)慢(man)
，但(dan)因(yin)為(wei)可(ke)簡(jian)單(dan)地(di)實(shi)現(xian)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)魯(lu)棒(bang)隔(ge)離(li)，很(hen)適(shi)合(he)醫(yi)療(liao)和(he)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)。由(you)於(yu)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)並(bing)有(you)良(liang)好(hao)的(de)支(zhi)持(chi)，人(ren)們(men)容(rong)忍(ren)了(le)其(qi)速(su)度(du)低(di)和(he)點(dian)對(dui)點(dian)的(de)缺(que)點(dian)。

 

USB接口已取代R S-232，成為個人電腦及其外設的標準端口，其特性幾乎在所有方麵都遠遠優於較老的串行端口。然而，對於要求隔離 的醫療和工業應用，由於實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連接。

 

本文討論了對USB實現隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現提供了一個新的可選方案— ADuM41601 USB隔離器。這一突破性 產品可簡單廉價地實現外設隔離（特別是D+和D-線的隔離）
，提高了USB在醫療和工業應用中的使用價值。

 

關於通用串行總線

 

USBshigerendiannaodeshouxuanchuanxingjiekou。gaijiekoudedaosuoyouchangyongdeshangyecaozuoxitongdezhichi，qieyunxuyingjianhequdongqirechaba。yitaizhujikeyijizhongxingxingfangshilianjieduoda127 個設備。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間關鍵型數據的中斷驅動型傳輸（如鼠標移動）等各類傳輸。 USB以三種數據傳輸速率運行：低速 (1.5Mbps)
、全速 (12Mbps) 和高速(480Mbps)。該規範創建後強化了 消費應用，這些應用要求連接必須簡單且具有魯棒性
，由控製器和物理層信令來解決複雜性的問題。

 

USB物理層隻包含4條線：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對（圖1）。這些線也可傳遞 單端數據以及用無源電阻實現的空閑狀態。當設備 連接到總線上時
，無源電阻結構中的電流對傳輸速度進行協商，並建立無驅動的空 閑狀態。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時鍾同步位、數據類型標識符、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複雜的數據結構進行控製
，這個專用控製器（或作為更大控製器的一部分）實現USB協議，通常內置 USB收發器硬件。當某個外設首次連接到電纜上時，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型格式化,並提供錯誤檢查和自動故障處理。SIE處理總線上的所有控製流
，並按需要使能和禁用線驅動器和接收器。主機 啟動所有的處理業務，然後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可以內建在微處理器中

，因此它可能隻有 D+和D-線與外設相連。實現這個總線的隔離麵臨幾個挑戰：

 

1. 隔 離器幾乎總是單向器件
，而D+和D-線是雙向的。

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中實現的。但這種方法並不能利用USB的優勢，所實現的是一個可熱 插拔的串行端口。接口芯片可通過改變固件來實現定製
，以識別外設
，從而允許創建定製的驅動程序
；但每個外設可能都需要一個定 製的適配器。除非該適配器是永久連在這個外設上
，否則這將是維修人員的噩夢。此外，接口的速度將被限製在標準R S-232的速度
，甚 至遠低於低速USB的吞吐量。

 

圖2.通過RS-232隔離。

 

第二種方法: 使用帶有易隔離接口的獨立SIE（圖3）。市場上有幾種產品（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 總線實現完全隔離。由於SIE包含可通過SPI總線填充的緩衝存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴於USB的速度。SIE將與USB主機協商其可能的最高 連接速度
，並以協商得出的總線速度分發數據，直到把緩衝中的數據傳遞完。此時，SIE會通知主機如果有更多的數據需要傳送則重試，並留出時間使 SPI接口可為下一個傳輸循環重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設驅動程序，並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麵的成本較高。

 

圖3. 通過SPI接口隔離SIE。

 

第三種方法: 如果微處理器的SIE使用外部收發器，則可以對微處理器和收發器之間的數據和控製線進行隔離（圖4）。但是，這種方式要求在SIE 和收發器之間有9條單向數據線。在高速數字隔離器中
，這將帶來極大的成本問題。此外，現有的速度最快的數字隔離器工作在約150M b p s
，雖然遠高於低速和全速 USB
，但不能處理高速數據，限製了USB接口的速度範圍。該方案與為微處理器SIE提供的USB驅動器完全 兼容，可降低開發成本，但需使用多個隔離通道致使實現成本高昂。此類收發器接口將被集成度要求日益提高的市場所淘汰。

 

圖4. 隔離的外部USB收發器。

 

第四種方法:直接在D+和D-線線中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現有的USB應用中添加D+/D-隔離，而無需重寫驅動程序或增加冗餘 SIE，同其它方法相比，這是一個很大的優點。但是
，D+和D-線的隔離較為複雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控製流，允許 在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，並確定傳輸速度。另外
，其運行不應要求額外的設備驅動程序相關的開銷。

 

圖5. 隔離D+/D-線。

 

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-線直接隔離.

 

圖6. ADuM4160的框圖。

 

ADI公司的 iCoupler® 技術3 特別適合於構建USB隔離器。在開發USB隔離器時所麵臨的主要挑戰是正確確定數據傳輸的方向
，以及何時禁 用驅動器以讓總線處在空閑狀態。USB數據的麵向數據包特性使我們可以使用一種簡單的方法來確定數據方向，免去了整個SIE的開銷。 當總線空閑時，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態，緩衝器不再驅動總線。

 

TA D u M4160監(jian)視(shi)總(zong)線(xian)的(de)上(shang)遊(you)和(he)下(xia)遊(you)部(bu)分(fen)
，等(deng)待(dai)來(lai)自(zi)任(ren)何(he)方(fang)向(xiang)的(de)躍(yue)遷(qian)信(xin)號(hao)。當(dang)檢(jian)測(ce)到(dao)躍(yue)遷(qian)信(xin)號(hao)時(shi)，則(ze)對(dui)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)編(bian)碼(ma)並(bing)傳(chuan)過(guo)隔(ge)離(li)阻(zu)障(zhang)。這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)被(bei)解(jie)碼(ma)之(zhi)後(hou)
， A D u M4160使能輸出驅動器在電纜的另一段上進行傳輸。從第一次傳送開始，由於數據流的方向已得到確認，A D u M4160 將禁用反向隔離通道。隻要繼續收到數據
，隔離器就沿相同的方向繼續傳輸數據。當USB數據包結束時
，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。包尾標識通知總線返回 空閑狀態。然後
，A D u M4160禁用輸出驅動器
，並開始監視上遊和下遊輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數據傳輸的方向。

 

此外，當發生總線錯誤時
，看門狗定時器將使A D u M4160返回空閑狀態。A D u M4160使用了基於躍遷的隔離方案
，基於躍遷的隔離是 iCoupler technology技術的核心能力之一。

 

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獨立的USB總線段
，在空閑狀態連接所有的偏置電阻。當在總線上有某個 設備需要進入初始化序列（稱為枚舉）時，上拉電阻 發出信號。知道外設的工作速度以及何時應連接上拉電阻，使枚舉過程以受控的方 式(shi)啟(qi)動(dong)。有(you)幾(ji)個(ge)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)上(shang)遊(you)上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)的(de)狀(zhuang)態(tai)。上(shang)遊(you)和(he)下(xia)遊(you)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)有(you)多(duo)種(zhong)組(zu)合(he)，隔(ge)離(li)器(qi)的(de)設(she)計(ji)保(bao)證(zheng)對(dui)所(suo)有(you)給(gei)定(ding)的(de)電(dian)源(yuan)組(zu)合(he)給(gei)出(chu)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)操(cao)作(zuo)。有(you)時(shi)

，如(ru)外(wai)設(she)需(xu)在(zai)開(kai)始(shi) USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話
，外設要求延遲啟用上遊的上拉電阻。ADuM4160在其下遊側提供了一個控製引腳以便由外設來決定何時開始枚舉。

 

該器件還可以工作於5V或3.3V電源，因此，外設僅需一個電源。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：:

 

 

下麵的示例給出了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—隻需約 10 毫瓦來驅動該隔離器的上遊側和上拉電阻。由於 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 硬連線方式與外設連接。如果外設端口具有 高速 性 能 ，那 麼 ，它 在 枚 舉期間發送高速的" chirp "信號。這通常會啟動速度協商以實現高速 操 作 ，但 A D u M4160 會阻斷" chirp "信號並自動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。

 

在作為集線器隔離器使用時，ADuM4160把集線器作為外設來對待（圖8）。A D u M4160設置為全速
，其它部分與上麵討論的標準外設類似。在 A D u M4160的chirp功能幹預下，集線器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線器芯片都可以連接到低速和全 速設備的各種組合。集線器向下遊端口的隔離器提供能量
，枚舉可以以上電啟動或延遲啟動的方式進行。集線器要求提供的能量通常 高於上遊電纜通過隔離型DC/DC轉換器供電的能力。

 

圖8. 隔離的集線器。

 

驅動隔離的USB 電纜（圖9）需使用DC/DC轉換器為下遊端口和電纜供電。為了滿足USB規範的要求
，電纜的下遊部分必須向外設的上拉電路提供5V電源。可使用 ADuM5000等隔離型DC/DC轉換器可以用於提供這個電源
，另外，它還有足夠的裕量為下遊功率要求低的設備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower® 器件.3 這個應用中， A D u M4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次隻能以一個USB速度運行，要切換速度模式須重新接線或通過簡單 的開關以手動方式切換或采用更複雜的電路
，這依賴於末端用戶的需求。

 

圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

 

結束語

 

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 應用中簡單而廉價地實現外設隔離，進而使 USB 在醫療和工 業應用領域的應用遠遠超出診斷端口和臨時連接的範圍。著重於在D+/D– 線中提供隔離
， ADuM4160 極大地簡化了隔離的實現。它支持 全速 和 低速 運行，可滿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.

 

 

推薦閱讀：