电子产品世界

目前在办公室和家庭中使用的标准信息处理设备——个人电脑（PC），使用通用串行总线（USB）与大多数外设进行通讯。标准化、低成本及软件和开发工具的支持已使个人电脑成为医疗和工业应用很具吸引力的主处理器平台，但这些增长中的市场对安全性和可靠性要求（特别是在电气隔离方面）与一直以来推动个人电脑发展的办公室环境有很大不同。

早期的个人电脑以串行和并行端口作为与外部世界连接的标准接口。这些标准是从最早的大型计算机继承而来的。另一个可用的通讯标准RS-232接口，虽然速度慢，但因为可简单地实现所需要的鲁棒隔离，很适合医疗和工业环境。由于得到广泛使用并有良好的支持，人们容忍了其速度低和点对点的缺点。

USB接口已取代RS-232，成为个人电脑及其外设的标准端口，其特性几乎在所有方面都远远优于较老的串行端口。然而，对于要求隔离的医疗和工业应用，由于实现隔离的难度大且成本高，USB一直主要用作诊断端口和临时连接。

本文讨论了对USB实现隔离的各种方法。值得特别介绍的是，ADI公司现提供了一个新的可选方案——ADuM41601 USB隔离器。这一突破性产品可简单廉价地实现外设隔离（特别是D+和D-线的隔离），提高了USB在医疗和工业应用中的使用价值。

关于通用串行总线

USB是个人电脑的首选串行接口。该接口得到所有常用的商业操作系统的支持，且允许硬件和驱动器热插拔。一台主机可以集中星型方式连接多达127个设备。许多数据传输模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间关键型数据的中断驱动型传输（如鼠标移动）等各类传输。USB以三种数据传输速率运行：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。该规范创建后强化了消费应用，这些应用要求连接必须简单且具有鲁棒性，由控制器和物理层信令来解决复杂性的问题。

USB物理层只包含4条线：两条向外设提供5V电源和地，另外两条（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实现的空闲状态。当设备连接到总线上时，无源电阻结构中的电流对传输速度进行协商，并建立无驱动的空闲状态。数据被组织成数据帧或数据包，每帧可以包含时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有效载荷及包尾序列。

图1. USB的标准组成。

串行接口引擎（SIE）在电缆的两端对这个复杂的数据结构进行控制，这个专用控制器（或作为更大控制器的一部分）实现USB协议，通常内置USB收发器硬件。当某个外设首次连接到电缆上时，SIE在 枚举，2 期间向宿主计算机提供外设的配置信息和功率要求。在运行期间，SIE把所有数据按照要求的传输类型格式化，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，并按需要使能和禁用线驱动器和接收器。主机启动所有的处理业务，然后按明确规定的数据序列在主机和外设之间交换数据，包括数据损坏和出现其它故障的情况。SIE可以内建在微处理器中，因此它可能只有D+和D-线与外设相连。实现这个总线的隔离面临几个挑战：

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式。

隔离器必须与无源电阻的上拉和下拉功能兼容，即与隔离阻障两侧的电路匹配。

隔离USB的典型方法主要是设法回避上述挑战。

第一种方法： 使USB接口与需要隔离的设备完全分离（图2）。许多设备可把其它通用的串行总线与USB连接；图2中显示了RS-232与USB的连接接口。SIE提供普通的串行接口功能；隔离是在低速串行线中实现的。但这种方法并不能利用USB的优势，所实现的是一个可热插拔的串行端口。接口芯片可通过改变固件来实现定制，以识别外设，从而允许创建定制的驱动程序；但每个外设可能都需要一个定制的适配器。除非该适配器是永久连在这个外设上，否则这将是维修人员的噩梦。此外，接口的速度将被限制在标准RS-232的速度，甚至远低于低速USB的吞吐量。

图2. 通过RS-232隔离。

第二种方法：使用带有易隔离接口的独立SIE（图3）。市场上有几种产品（如SPI）使用快速单向接口把SIE连接到微处理器。数字隔离器（如ADuM1401C 四通道数字隔离器）可对SPI总线实现完全隔离。由于SIE包含可通过SPI总线填充的缓冲存储器，SPI的运行速度在很大程度上可不依赖于USB的速度。SIE将与USB主机协商其可能的最高连接速度，并以协商得出的总线速度分发数据，直到把缓冲中的数据传递完。此时，SIE会通知主机如果有更多的数据需要传送则重试，并留出时间使SPI接口可为下一个传输循环重新填充缓存。虽然非常有效，这种方案通常要求修改外设驱动程序，并忽视内置在外设的微处理器中的USB电路。该方案在元件和电路板尺寸方面的成本较高。

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，则可以对微处理器和收发器之间的数据和控制线进行隔离（图4）。但是，这种方式要求在SIE和收发器之间有9条单向数据线。在高速数字隔离器中，这将带来极大的成本问题。此外，现有的速度最快的数字隔离器工作在约150Mbps，虽然远高于低速和全速USB，但不能处理高速数据，限制了USB接口的速度范围。该方案与为微处理器SIE提供的USB驱动器完全兼容，可降低开发成本，但需使用多个隔离通道致使实现成本高昂。此类收发器接口将被集成度要求日益提高的市场所淘汰。

关键词： USB 数字隔离器 工业应用 隔离