串行總線USB隔離的詳細資料說明

　　通用串行總線（USB）已經(jīng)成為外圍設(shè)備與個人計算機連接的標準方式。如果一個與 PC 連接的設(shè)備需要電氣隔離，USB 將是一個很自然的選擇接口。USB 的兩個著名的隔離應用是基于 PC 平臺的醫(yī)療設(shè)備和具有很大地電位差的工業(yè)應用。

　　USB 基礎(chǔ)信號

　　USB 具有以下三種工作速率：

　　低速，1.5Mbps

　　全速，12Mbps

　　高速，480Mbps

　　本文討論全速（12Mbps） USB 連接的光隔離，12Mbps 的速度可滿足一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯螅O(shè)計中使用廉價光耦，支持足夠的數(shù)據(jù)傳輸速率。 USB 連接器包含四條線：2 條用于電源供電（VBUS 和 GND），2 條用于 USB 數(shù)據(jù)傳輸（D+和 D-）。VBUS 提供 5V 電源，電流可達 500mA。D+和 D- 為雙向信號線，信號傳輸速率為 12Mbps （每位 83ns）。D+和 D- 信號電平為 3.3V。

　　USB 外設(shè)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。從右至左來看該圖，USB 收發(fā)器連接至 D+和 D-，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)都由 OE （輸出使能）控制。中間單元是 USB 串行接口引擎（SIE），其作用是將總線信號（由收發(fā)器發(fā)送和接收）轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)據(jù)或 USB 信號，以供 USB 外設(shè)使用。最左邊的單元是應用電路，可能是微處理器、專用集成電路或數(shù)字信號處理器（DSP）。

　　使用外置收發(fā)器的 USB 外設(shè)其收發(fā)器接口暴露在外部，對于這些單向信號可以考慮使用光耦隔離。盡管如此，這個位置和位置 1 有著相同問題：數(shù)據(jù)速率過高，而且有多路 12MHz 速率的信號需要隔離。VPO、VMO、RCV、VPI 和 VMI 信號都運行在 12MHz 速率，必須嚴格保持這些信號傳輸延遲、偏差的一致性。此外，現(xiàn)代 USB 設(shè)計中將 SIE 和收發(fā)器集成在同一芯片，也很難獲得這個接口。

　　這是最有希望實現(xiàn)隔離的位置，這個接口工作速率低于 USB 數(shù)據(jù)速率和線速率，且該接口可以完全由單向信號構(gòu)成。事實上，一個理想的接口應該只使用少量單向信號，且這些信號的數(shù)據(jù)速率遠低于 USB 的 12MHz 信號速率。符合這些要求的理想接口是 SPI （串行外圍設(shè)備接口），該接口由 Motorola 定義，現(xiàn)已用于許多半導體器件。由于其簡單、高效，SPI 成為非常流行的接口。