数字隔离器简化了医疗和工业应用中的USB隔离
个人计算机（PC）目前是办公室和家庭使用的标准信息处理设备，它使用通用串行总线（USB）与大多数外围设备进行通信。标准化、成本以及软件和开发工具的可用性使PC作为医疗和工业应用的主机处理器平台非常有吸引力，但这些不断增长的市场的安全性和可靠性要求（特别是在电气隔离方面）与历史上推动个人计算机设计的办公环境大不相同。
在早期，个人计算机提供串行和并行端口作为与外界的标准接口。这些遗留标准是从最早的大型计算机继承而来的。另一种可用的通信标准RS-232虽然速度很慢，但非常适合医疗和工业环境，因为它可以轻松实现所需的鲁棒隔离。它的低速和点对点性质是可以容忍的，因为它是普遍可用的并且得到了很好的支持。
USB已经取代RS-232成为个人计算机及其外围设备的标准端口，其功能几乎在各个方面都远远优于旧的串行端口。然而，为医疗和工业应用提供必要的隔离既困难又昂贵，因此USB主要用于诊断端口和临时连接。
本文讨论了使用 USB 应用隔离的各种方法。特别是新选项ADuM41601USB隔离器，现在可从ADI公司获得。这一突破性产品允许简单、廉价地隔离外围设备，特别是包括D+和D-线，提高了USB在医疗和工业应用中的实用性。
关于通用串行总线 （USB）
USB 是 PC 的首选串行接口。受所有常见商业操作系统的支持，它支持硬件和驱动程序的动态连接。同一中心辐射型网络上最多可以存在 127 台设备。许多数据传输模式可以处理从存储设备的大批量数据传输到流媒体的常时等量传输，再到时间关键型数据（如鼠标移动）的中断驱动传输。USB 以三种数据传输速率运行：低速 （1.5 Mbps）、全速 （12 Mbps） 和高速 （480 Mbps）。创建此系统时，强调了消费者应用程序;连接必须简单而坚固，控制器和物理层信令吸收了复杂性。
USB 物理层仅由四根电线组成：两根为外围设备提供 5V 电源和接地;另外两个 D+ 和 D–形成可以携带差分数据的双绞线（图 1）。这些线路还可以承载单端数据，以及通过无源电阻实现的空闲状态。当器件连接到总线时，无源电阻配置中的电流会协商速度，并建立非驱动空闲状态。数据被组织成数据帧或数据包。每个帧可以包含用于时钟同步、数据类型标识符、设备地址、数据有效负载和数据包结束序列的位。
图1.USB 的标准元素。
这种复杂数据结构的控制由串行接口引擎（SIE）在电缆的每一端处理。此专用控制器（或较大控制器的一部分，通常包括 USB 收发器硬件）负责 USB 协议。在枚举期间，当外围设备首次连接到电缆时，SIE 会向主机提供配置信息和电源要求。在操作过程中，SIE根据所需的传输类型格式化所有数据，并提供错误检查和自动故障处理。SIE 处理总线上的所有控制流，根据需要启用和禁用线路驱动器和接收器。主机启动所有事务，然后遵循主机和外围设备之间明确定义的数据交换序列，包括数据何时损坏和其他故障情况的规定。SIE可以内置于微处理器中，因此它可能只为外设提供D+和D-线。隔离此总线存在几个挑战：
隔离器几乎总是单向器件，而D+和D-线是双向的。
SIE不提供确定数据传输方向的外部方法。
隔离器必须与无源电阻的上拉和下拉功能兼容，使其跨屏障匹配。
隔离USB的典型方法在很大程度上是为了回避上述挑战。
第一种方法：将USB接口完全移出需要隔离的设备（图2）。许多设备将通用串行总线连接到 USB;本例显示了RS-232转USB接口。SIE 提供通用串行接口功能;隔离在低速串行线路中实现。但是，这种方法并没有利用USB的优势。所创建的只是一个可以即时加载的串行端口。接口IC可以通过固件更改进行定制，以识别外设，从而可以创建自定义驱动程序;但是每个外设都需要一个定制的适配器。除非适配器永久固定在外围设备上，否则这将是一场维修噩梦。此外，接口的速度将限制在标准RS-232的速度，甚至不接近低速USB的吞吐量。
图2.通过RS-232隔离。
第二种方法：使用具有易于隔离接口的独立 SIE（图 3）。市场上有几种产品使用快速单向接口（如SPI）将SIE连接到微处理器。数字隔离器，如ADuM1401C四通道数字隔离器，可实现SPI总线的完全隔离。SIE包含可由SPI总线填充的缓冲存储器，因此SPI的工作速度在很大程度上与USB的速度无关。SIE 将与 USB 主机协商以获得尽可能高的连接速度，并以协商的总线速度分配数据，直到缓冲数据用完。然后，SIE 将告诉主机在需要更多数据时重试，从而允许 SPI 接口有时间在另一个传输周期内重新填充缓冲区。虽然非常有效，但这种方案通常需要修改外设驱动程序，以及绕过外设微处理器中内置的现有USB设施。该解决方案在元件和电路板空间方面非常昂贵。
图3.通过 SPI 接口隔离 SIE。
第三种方法：如果微处理器的SIE使用外部收发器，则可以隔离收发器的数据和控制线（图4）。但 USB 在 SIE 和收发器之间需要多达 9 条单向数据线。这在高速数字隔离器中是一项巨大的开支。此外，最快的数字隔离器的工作速度约为150 Mbps。虽然比低速和全速USB快得多，但它不能处理高速数据，限制了USB接口的速度范围。该解决方案与为微处理器的SIE提供的USB驱动器完全兼容，从而降低了开发成本，但所需的许多隔离通道使得实现成本很高。提高集成度的市场趋势将淘汰这种类型的收发器接口。
图4.隔离式外部 USB 收发器。
第四种方法：将隔离直接插入D+和D-线（图5）。这允许将 D+/D– 隔离添加到现有 USB 应用程序中，而无需重写驱动程序或添加冗余 SIE，这是与其他方法相比的显著优势。然而，隔离D+和D-线会使情况复杂化，因为该器件必须能够像SIE一样处理控制流，并允许在其隔离栅上应用上拉电阻和速度测定。它还应在不调用其他设备驱动程序开销的情况下运行。
图5.隔离 D+/D– 线。
ADuM4160 USB隔离器（图6）解决了这些挑战，这是一款新型芯片级器件，支持直接隔离低速和全速USB D+和D-线路。
图6.ADuM4160原理框图
ADI公司i耦合器技术®3特别适合构建USB隔离器。开发USB隔离器的主要挑战是正确确定数据传输的方向，以及何时禁用驱动程序以允许空闲总线状态。USB 数据的面向数据包的特性允许一种确定数据方向的简单方法，而无需完整 SIE 的开销。当总线空闲时，上拉和下拉电阻将USB保持在空闲状态，没有缓冲器驱动总线。
ADuM4160监控总线的上游和下游段，等待从任一方向的转换。当检测到转换时，它被编码并跨屏障传输。数据被解码，输出驱动器被启用以在其他电缆段上传输。从第一次转换开始，将识别数据流的方向，并禁用反向隔离通道。只要继续接收数据，隔离器就会继续沿同一方向传输数据。USB 数据包完成后，将传输特殊数据，即数据包结束 （EOP） 序列。EOP 包含不应包含在任何数据结构中的非差分信号。隔离器可以将 EOP 标记与有效数据区分开来。这表示总线应返回到空闲状态。输出驱动器被禁用，隔离器开始监视其上游和下游输入以进行下一次转换，这将为数据传输设定下一个方向。
此外，当发生总线错误时，看门狗定时器将隔离器返回到空闲状态。ADuM4160利用基于转换的隔离方案，这是i耦合器技术的核心功能之一。
隔离器还必须为上拉和下拉电阻提供支持。隔离器的每一侧都支持一个独立的USB总线段，所有偏置电阻都处于空闲状态。上拉电阻发出信号，表明总线上的新器件需要经过初始化序列，称为枚举。知道外设的工作速度和应连接上拉的时间，可以以受控方式开始枚举。有几个因素会影响上游上拉电阻的状态。可用的上行和下游电源电压可以有不同的组合。隔离器设计用于在所有指定的可用功率组合中提供可预测的操作。外设有时希望延迟上游上拉电阻的应用，例如，如果它需要在启动USB枚举之前完成自己的本地初始化。ADuM4160在器件下游侧提供控制引脚，允许外设确定何时进行枚举。
该器件的其他特性包括能够采用 5V 或 3.3V 电源供电。因此，外围设备中只需要一个电源;它可以是任一电压。ADuM4160还设计有坚固的ESD保护功能，在大多数情况下，无需外部保护电路即可将D+和D-引脚热插拔到连接器上。
ADuM4160可能以以下三种方式之一使用：
它将安装在外围设备中以隔离其上游端口。ADuM4160采用这种配置作为基本应用而设计。它实现了最简单的电源和控制配置（图 7）。
它可用于隔离集线器，从而隔离集线器下游的所有外设（图 8）。
它可用于隔离电缆配置（图 9）。
下图显示了ADuM4160在每种应用中的连接方式。
在外设应用中（图7），外设有自己的电源，USB电缆几乎不需要电源——大约10 mW来运行隔离器的上游侧和上拉电阻。由于外设以单速工作，隔离器硬连线以达到所需的速度设置，无论是全速还是低速。如果外围端口恰好具有高速功能，则它会在枚举期间发送高速“线性调频”模式。这通常会启动高速工作的协商，但ADuM4160会阻止线性调频信号，并自动强制高速外设全速工作。对于没有自带电源的低功耗外设，可以使用ADuM5000等隔离式DC-DC转换器为外设供电，ADuM4160则通过USB电缆供电。
图7.隔离的外设端口。
ADuM4160用作集线器隔离器（图8），将集线器视为外设。ADuM4160设置为全速;应用程序的其余部分类似于上面讨论的标准外设情况。由于隔离器对其线性调频功能的干预，集线器将被迫全速运行。集线器IC将允许连接到低速和全速设备的组合，即使隔离器以固定速度运行。集线器为隔离器的下游端口供电，枚举可以在上电时开始，也可以延迟开始。集线器通常需要比上游电缆通过隔离式DC-DC转换器提供的功率更多的功率。
图8.隔离的集线器。
驱动隔离式USB电缆（图9）需要使用DC-DC转换器为下游端口和电缆供电。为了满足 USB 规范的要求，电缆的下游段必须为外围设备的上拉提供 5V 电源。隔离式DC-DC转换器（如ADuM5000）可以提供足够的剩余电量，为具有低功耗要求的下游器件提供电源。图9显示了ADuM5000 isoPower器件的使用。®3在此应用中，ADuM4160的硬连线速度引脚变得有些不方便。电缆一次只能以一个 USB 速度运行;根据最终用户的要求，必须手动、通过简单的开关或使用更复杂的电路重新布线以切换速度模式。
图9.隔离电缆接口，包括 isoPower。
结论
USB将继续存在。ADuM4160是一款突破性的隔离产品，可在USB应用中实现简单、廉价的外围设备隔离。反过来，这将增加USB在医疗和工业应用领域的渗透率，远远超出诊断端口和临时连接。ADuM4160专注于在D+/D–线路中提供隔离，因此实现极其简单。支持全速和低速运行，为各种应用提供了足够的带宽。
审核编辑：郭婷
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