數(shù)字隔離器簡化了醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的USB隔離

個人計算機(jī)（PC）目前是辦公室和家庭使用的標(biāo)準(zhǔn)信息處理設(shè)備，它使用通用串行總線（USB）與大多數(shù)外圍設(shè)備進(jìn)行通信。標(biāo)準(zhǔn)化、成本以及軟件和開發(fā)工具的可用性使PC作為醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的主機(jī)處理器平臺非常有吸引力，但這些不斷增長的市場的安全性和可靠性要求（特別是在電氣隔離方面）與歷史上推動個人計算機(jī)設(shè)計的辦公環(huán)境大不相同。

在早期，個人計算機(jī)提供串行和并行端口作為與外界的標(biāo)準(zhǔn)接口。這些遺留標(biāo)準(zhǔn)是從最早的大型計算機(jī)繼承而來的。另一種可用的通信標(biāo)準(zhǔn)RS-232雖然速度很慢，但非常適合醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境，因為它可以輕松實現(xiàn)所需的魯棒隔離。它的低速和點對點性質(zhì)是可以容忍的，因為它是普遍可用的并且得到了很好的支持。

USB已經(jīng)取代RS-232成為個人計算機(jī)及其外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)端口，其功能幾乎在各個方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于舊的串行端口。然而，為醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用提供必要的隔離既困難又昂貴，因此USB主要用于診斷端口和臨時連接。

本文討論了使用 USB 應(yīng)用隔離的各種方法。特別是新選項ADuM41601USB隔離器，現(xiàn)在可從ADI公司獲得。這一突破性產(chǎn)品允許簡單、廉價地隔離外圍設(shè)備，特別是包括D+和D-線，提高了USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的實用性。

關(guān)于通用串行總線 （USB）

USB 是 PC 的首選串行接口。受所有常見商業(yè)操作系統(tǒng)的支持，它支持硬件和驅(qū)動程序的動態(tài)連接。同一中心輻射型網(wǎng)絡(luò)上最多可以存在 127 臺設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可以處理從存儲設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅髅襟w的常時等量傳輸，再到時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)移動）的中斷驅(qū)動傳輸。USB 以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行：低速 （1.5 Mbps）、全速 （12 Mbps） 和高速 （480 Mbps）。創(chuàng)建此系統(tǒng)時，強(qiáng)調(diào)了消費(fèi)者應(yīng)用程序;連接必須簡單而堅固，控制器和物理層信令吸收了復(fù)雜性。

USB 物理層僅由四根電線組成：兩根為外圍設(shè)備提供 5V 電源和接地;另外兩個 D+ 和 D–形成可以攜帶差分?jǐn)?shù)據(jù)的雙絞線（圖 1）。這些線路還可以承載單端數(shù)據(jù)，以及通過無源電阻實現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當(dāng)器件連接到總線時，無源電阻配置中的電流會協(xié)商速度，并建立非驅(qū)動空閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包。每個幀可以包含用于時鐘同步、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識符、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)有效負(fù)載和數(shù)據(jù)包結(jié)束序列的位。

圖1.USB 的標(biāo)準(zhǔn)元素。

這種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的控制由串行接口引擎（SIE）在電纜的每一端處理。此專用控制器（或較大控制器的一部分，通常包括 USB 收發(fā)器硬件）負(fù)責(zé) USB 協(xié)議。在枚舉期間，當(dāng)外圍設(shè)備首次連接到電纜時，SIE 會向主機(jī)提供配置信息和電源要求。在操作過程中，SIE根據(jù)所需的傳輸類型格式化所有數(shù)據(jù)，并提供錯誤檢查和自動故障處理。SIE 處理總線上的所有控制流，根據(jù)需要啟用和禁用線路驅(qū)動器和接收器。主機(jī)啟動所有事務(wù)，然后遵循主機(jī)和外圍設(shè)備之間明確定義的數(shù)據(jù)交換序列，包括數(shù)據(jù)何時損壞和其他故障情況的規(guī)定。SIE可以內(nèi)置于微處理器中，因此它可能只為外設(shè)提供D+和D-線。隔離此總線存在幾個挑戰(zhàn)：

隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線是雙向的。

SIE不提供確定數(shù)據(jù)傳輸方向的外部方法。

隔離器必須與無源電阻的上拉和下拉功能兼容，使其跨屏障匹配。

隔離USB的典型方法在很大程度上是為了回避上述挑戰(zhàn)。

第一種方法：將USB接口完全移出需要隔離的設(shè)備（圖2）。許多設(shè)備將通用串行總線連接到 USB;本例顯示了RS-232轉(zhuǎn)USB接口。SIE 提供通用串行接口功能;隔離在低速串行線路中實現(xiàn)。但是，這種方法并沒有利用USB的優(yōu)勢。所創(chuàng)建的只是一個可以即時加載的串行端口。接口IC可以通過固件更改進(jìn)行定制，以識別外設(shè)，從而可以創(chuàng)建自定義驅(qū)動程序;但是每個外設(shè)都需要一個定制的適配器。除非適配器永久固定在外圍設(shè)備上，否則這將是一場維修噩夢。此外，接口的速度將限制在標(biāo)準(zhǔn)RS-232的速度，甚至不接近低速USB的吞吐量。

圖2.通過RS-232隔離。

第二種方法：使用具有易于隔離接口的獨(dú)立 SIE（圖 3）。市場上有幾種產(chǎn)品使用快速單向接口（如SPI）將SIE連接到微處理器。數(shù)字隔離器，如ADuM1401C四通道數(shù)字隔離器，可實現(xiàn)SPI總線的完全隔離。SIE包含可由SPI總線填充的緩沖存儲器，因此SPI的工作速度在很大程度上與USB的速度無關(guān)。SIE 將與 USB 主機(jī)協(xié)商以獲得盡可能高的連接速度，并以協(xié)商的總線速度分配數(shù)據(jù)，直到緩沖數(shù)據(jù)用完。然后，SIE 將告訴主機(jī)在需要更多數(shù)據(jù)時重試，從而允許 SPI 接口有時間在另一個傳輸周期內(nèi)重新填充緩沖區(qū)。雖然非常有效，但這種方案通常需要修改外設(shè)驅(qū)動程序，以及繞過外設(shè)微處理器中內(nèi)置的現(xiàn)有USB設(shè)施。該解決方案在元件和電路板空間方面非常昂貴。

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(fā)器，則可以隔離收發(fā)器的數(shù)據(jù)和控制線（圖4）。但 USB 在 SIE 和收發(fā)器之間需要多達(dá) 9 條單向數(shù)據(jù)線。這在高速數(shù)字隔離器中是一項巨大的開支。此外，最快的數(shù)字隔離器的工作速度約為150 Mbps。雖然比低速和全速USB快得多，但它不能處理高速數(shù)據(jù)，限制了USB接口的速度范圍。該解決方案與為微處理器的SIE提供的USB驅(qū)動器完全兼容，從而降低了開發(fā)成本，但所需的許多隔離通道使得實現(xiàn)成本很高。提高集成度的市場趨勢將淘汰這種類型的收發(fā)器接口。

圖4.隔離式外部 USB 收發(fā)器。

第四種方法：將隔離直接插入D+和D-線（圖5）。這允許將 D+/D– 隔離添加到現(xiàn)有 USB 應(yīng)用程序中，而無需重寫驅(qū)動程序或添加冗余 SIE，這是與其他方法相比的顯著優(yōu)勢。然而，隔離D+和D-線會使情況復(fù)雜化，因為該器件必須能夠像SIE一樣處理控制流，并允許在其隔離柵上應(yīng)用上拉電阻和速度測定。它還應(yīng)在不調(diào)用其他設(shè)備驅(qū)動程序開銷的情況下運(yùn)行。

圖5.隔離 D+/D– 線。

ADuM4160 USB隔離器（圖6）解決了這些挑戰(zhàn)，這是一款新型芯片級器件，支持直接隔離低速和全速USB D+和D-線路。

圖6.ADuM4160原理框圖

ADI公司i耦合器技術(shù)?3特別適合構(gòu)建USB隔離器。開發(fā)USB隔離器的主要挑戰(zhàn)是正確確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，以及何時禁用驅(qū)動程序以允許空閑總線狀態(tài)。USB 數(shù)據(jù)的面向數(shù)據(jù)包的特性允許一種確定數(shù)據(jù)方向的簡單方法，而無需完整 SIE 的開銷。當(dāng)總線空閑時，上拉和下拉電阻將USB保持在空閑狀態(tài)，沒有緩沖器驅(qū)動總線。

ADuM4160監(jiān)控總線的上游和下游段，等待從任一方向的轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)換時，它被編碼并跨屏障傳輸。數(shù)據(jù)被解碼，輸出驅(qū)動器被啟用以在其他電纜段上傳輸。從第一次轉(zhuǎn)換開始，將識別數(shù)據(jù)流的方向，并禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，隔離器就會繼續(xù)沿同一方向傳輸數(shù)據(jù)。USB 數(shù)據(jù)包完成后，將傳輸特殊數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)包結(jié)束 （EOP） 序列。EOP 包含不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的非差分信號。隔離器可以將 EOP 標(biāo)記與有效數(shù)據(jù)區(qū)分開來。這表示總線應(yīng)返回到空閑狀態(tài)。輸出驅(qū)動器被禁用，隔離器開始監(jiān)視其上游和下游輸入以進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，這將為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)定下一個方向。

此外，當(dāng)發(fā)生總線錯誤時，看門狗定時器將隔離器返回到空閑狀態(tài)。ADuM4160利用基于轉(zhuǎn)換的隔離方案，這是i耦合器技術(shù)的核心功能之一。

隔離器還必須為上拉和下拉電阻提供支持。隔離器的每一側(cè)都支持一個獨(dú)立的USB總線段，所有偏置電阻都處于空閑狀態(tài)。上拉電阻發(fā)出信號，表明總線上的新器件需要經(jīng)過初始化序列，稱為枚舉。知道外設(shè)的工作速度和應(yīng)連接上拉的時間，可以以受控方式開始枚舉。有幾個因素會影響上游上拉電阻的狀態(tài)。可用的上行和下游電源電壓可以有不同的組合。隔離器設(shè)計用于在所有指定的可用功率組合中提供可預(yù)測的操作。外設(shè)有時希望延遲上游上拉電阻的應(yīng)用，例如，如果它需要在啟動USB枚舉之前完成自己的本地初始化。ADuM4160在器件下游側(cè)提供控制引腳，允許外設(shè)確定何時進(jìn)行枚舉。

該器件的其他特性包括能夠采用 5V 或 3.3V 電源供電。因此，外圍設(shè)備中只需要一個電源;它可以是任一電壓。ADuM4160還設(shè)計有堅固的ESD保護(hù)功能，在大多數(shù)情況下，無需外部保護(hù)電路即可將D+和D-引腳熱插拔到連接器上。

ADuM4160可能以以下三種方式之一使用：

它將安裝在外圍設(shè)備中以隔離其上游端口。ADuM4160采用這種配置作為基本應(yīng)用而設(shè)計。它實現(xiàn)了最簡單的電源和控制配置（圖 7）。

它可用于隔離集線器，從而隔離集線器下游的所有外設(shè)（圖 8）。

它可用于隔離電纜配置（圖 9）。

下圖顯示了ADuM4160在每種應(yīng)用中的連接方式。

在外設(shè)應(yīng)用中（圖7），外設(shè)有自己的電源，USB電纜幾乎不需要電源——大約10 mW來運(yùn)行隔離器的上游側(cè)和上拉電阻。由于外設(shè)以單速工作，隔離器硬連線以達(dá)到所需的速度設(shè)置，無論是全速還是低速。如果外圍端口恰好具有高速功能，則它會在枚舉期間發(fā)送高速“線性調(diào)頻”模式。這通常會啟動高速工作的協(xié)商，但ADuM4160會阻止線性調(diào)頻信號，并自動強(qiáng)制高速外設(shè)全速工作。對于沒有自帶電源的低功耗外設(shè)，可以使用ADuM5000等隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為外設(shè)供電，ADuM4160則通過USB電纜供電。

圖7.隔離的外設(shè)端口。

ADuM4160用作集線器隔離器（圖8），將集線器視為外設(shè)。ADuM4160設(shè)置為全速;應(yīng)用程序的其余部分類似于上面討論的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)情況。由于隔離器對其線性調(diào)頻功能的干預(yù)，集線器將被迫全速運(yùn)行。集線器IC將允許連接到低速和全速設(shè)備的組合，即使隔離器以固定速度運(yùn)行。集線器為隔離器的下游端口供電，枚舉可以在上電時開始，也可以延遲開始。集線器通常需要比上游電纜通過隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的功率更多的功率。

圖8.隔離的集線器。

驅(qū)動隔離式USB電纜（圖9）需要使用DC-DC轉(zhuǎn)換器為下游端口和電纜供電。為了滿足 USB 規(guī)范的要求，電纜的下游段必須為外圍設(shè)備的上拉提供 5V 電源。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器（如ADuM5000）可以提供足夠的剩余電量，為具有低功耗要求的下游器件提供電源。圖9顯示了ADuM5000 isoPower器件的使用。?3在此應(yīng)用中，ADuM4160的硬連線速度引腳變得有些不方便。電纜一次只能以一個 USB 速度運(yùn)行;根據(jù)最終用戶的要求，必須手動、通過簡單的開關(guān)或使用更復(fù)雜的電路重新布線以切換速度模式。

圖9.隔離電纜接口，包括 isoPower。

結(jié)論

USB將繼續(xù)存在。ADuM4160是一款突破性的隔離產(chǎn)品，可在USB應(yīng)用中實現(xiàn)簡單、廉價的外圍設(shè)備隔離。反過來，這將增加USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出診斷端口和臨時連接。ADuM4160專注于在D+/D–線路中提供隔離，因此實現(xiàn)極其簡單。支持全速和低速運(yùn)行，為各種應(yīng)用提供了足夠的帶寬。

審核編輯：郭婷