單線串行總線可傳遞相互隔離的電源和數(shù)據(jù)

醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用經(jīng)常為了病人和設(shè)備操作員的人身安全要求隔離電壓達(dá)到2500Vac或更高。該隔離屏障不僅要把電源傳輸?shù)絺鞲衅骷?，而且還要傳送往來于該器件上的數(shù)據(jù)。

 每一個穿越隔離屏障的數(shù)據(jù)信號都要求隔離。因此，在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可以通過選用串行總線而不是并行總線來節(jié)約成本。串行總線包括SPI、I2C和Dallas單線串行總線。

Dallas單線總線只需要一根數(shù)據(jù)線(外加地線)來進(jìn)行雙向通訊。由于光隔離器是單向器件，典型的單線傳輸需要兩個光耦，數(shù)據(jù)流的每個方向上各用一個(而SPI和I2C總線則至少需要三個光耦)。

 該單線串行總線不僅允許傳輸雙向數(shù)據(jù)流，而且還可以寄生電源模式傳遞電源。用一個隔離的變換器來為傳感器件供電。這樣，絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)需要兩個光耦用于數(shù)據(jù)接口：一個光耦用于反饋到隔離的電源上，而一個變壓器用于電源隔離

該電路如圖所示，電路中僅用了一個隔離變壓器驅(qū)動器(U1)和一個單光耦(U3)，把用于隔離的器件數(shù)減到了最少，而同時又保持了雙線抽頭設(shè)計(jì)。

備操作員的人身安全要求隔離電壓達(dá)到2500Vac或更高。該隔離屏障不僅要把電源傳輸?shù)絺鞲衅骷?，而且還要傳送往來于該器件上的數(shù)據(jù)。

 每一個穿越隔離屏障的數(shù)據(jù)信號都要求隔離。因此，在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可以通過選用串行總線而不是并行總線來節(jié)約成本。串行總線包括SPI、I2C和Dallas單線串行總線。

 Dallas單線總線只需要一根數(shù)據(jù)線(外加地線)來進(jìn)行雙向通訊。由于光隔離器是單向器件，典型的單線傳輸需要兩個光耦，數(shù)據(jù)流的每個方向上各用一個(而SPI和I2C總線則至少需要三個光耦)。

 該單線串行總線不僅允許傳輸雙向數(shù)據(jù)流，而且還可以寄生電源模式傳遞電源。用一個隔離的變換器來為傳感器件供電。這樣，絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)需要兩個光耦用于數(shù)據(jù)接口：一個光耦用于反饋到隔離的電源上，而一個變壓器用于電源隔離。

 該電路如圖所示，電路中僅用了一個隔離變壓器驅(qū)動器(U1)和一個單光耦(U3)，把用于隔離的器件數(shù)減到了最少，而同時又保持了雙線抽頭設(shè)計(jì)。

U1提供隔離的和虛調(diào)節(jié)的電源，并能夠使主控臺把數(shù)據(jù)傳送到隔離接口另一側(cè)的單線串口設(shè)備上。而接收通道上的單光隔離器使得主控臺能夠接收來自單線串口設(shè)備上的隔離數(shù)據(jù)。

 注意下列的觀察結(jié)果：在引腳VISOI處(原理圖的右上角)，由U1和變壓器T1產(chǎn)生的電壓約為4.0V。D1和D2實(shí)現(xiàn)變壓器次級的半橋式整流。

 在U1中，將FS和VCC連接起來，使得器件的開關(guān)頻率為額定的860kHz。電容器C2對輸出進(jìn)行濾波，使輸出電平保持在正半周期。R1用來對C2進(jìn)行放電。

 通過利用Dallas單線串行總線，接口電路能提供主控臺微控制器和傳感元件之間的隔離和雙向通訊。

 主控臺微控制器通過控制U1的SD端的通斷來向單線串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)不發(fā)送數(shù)據(jù)時，通常U1工作并向單線串口設(shè)備供電，對單線設(shè)備表示為邏輯高電平。此時引腳VISOL處的電壓約為4.0V。

 進(jìn)行通訊時，主控臺施加一個復(fù)位脈沖將SD置高電平，關(guān)斷U1。由于U1的關(guān)斷，VISOL處的電壓降低到單線串口設(shè)備的邏輯低電平。合理選擇R1、R2、R3和C2的值，使得VISOI在大約5μs內(nèi)降到邏輯低電平門限(0.8V)以下。(R1=R2=1.00kΩ, R3=2.00kΩ, C2=4.7nF將產(chǎn)生測試起始值，而終值則取決于所選擇的光耦。)當(dāng)U1工作時，合理選取上述四個數(shù)值，使得VISOI不能低于單線串口設(shè)備的邏輯高電平門限(2.4V)。

當(dāng)主控臺接收來自單線串口設(shè)備的數(shù)據(jù)時，光耦(U3)被VISOI電平或單線串口設(shè)備的數(shù)據(jù)端(DQ)調(diào)節(jié)。當(dāng)U1工作時, U3中的LED點(diǎn)亮。這將強(qiáng)置Rx為低電平。當(dāng)單線串口設(shè)備將DQ拉到低電平時，LED熄滅，而Rx變?yōu)楦唠娖健６鳸1關(guān)斷時，Rx變?yōu)楦唠娖?，?dǎo)致VISOI降低而熄滅LED。(微控制器上的Tx和Rx邏輯與單線串口設(shè)備上的邏輯相反。)

這樣，由一個光耦、一個變壓器和一個Dallas單線串行線就構(gòu)成了一個位于主控制臺和精密的單線串口測溫設(shè)備之間的隔離傳感接口。在保持連接和器件成本最低的同時，該電路支持醫(yī)療和工業(yè)中的高壓應(yīng)用場合。

U1提供隔離的和虛調(diào)節(jié)的電源，并能夠使主控臺把數(shù)據(jù)傳送到隔離接口另一側(cè)的單線串口設(shè)備上。而接收通道上的單光隔離器使得主控臺能夠接收來自單線串口設(shè)備上的隔離數(shù)據(jù)。

 注意下列的觀察結(jié)果：在引腳VISOI處(原理圖的右上角)，由U1和變壓器T1產(chǎn)生的電壓約為4.0V。D1和D2實(shí)現(xiàn)變壓器次級的半橋式整流。

 在U1中，將FS和VCC連接起來，使得器件的開關(guān)頻率為額定的860kHz。電容器C2對輸出進(jìn)行濾波，使輸出電平保持在正半周期。R1用來對C2進(jìn)行放電。

 通過利用Dallas單線串行總線，接口電路能提供主控臺微控制器和傳感元件之間的隔離和雙向通訊。

 主控臺微控制器通過控制U1的SD端的通斷來向單線串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)不發(fā)送數(shù)據(jù)時，通常U1工作并向單線串口設(shè)備供電，對單線設(shè)備表示為邏輯高電平。此時引腳VISOL處的電壓約為4.0V。

 進(jìn)行通訊時，主控臺施加一個復(fù)位脈沖將SD置高電平，關(guān)斷U1。由于U1的關(guān)斷，VISOL處的電壓降低到單線串口設(shè)備的邏輯低電平。合理選擇R1、R2、R3和C2的值，使得VISOI在大約5μs內(nèi)降到邏輯低電平門限(0.8V)以下。(R1=R2=1.00kΩ, R3=2.00kΩ, C2=4.7nF將產(chǎn)生測試起始值，而終值則取決于所選擇的光耦。)當(dāng)U1工作時，合理選取上述四個數(shù)值，使得VISOI不能低于單線串口設(shè)備的邏輯高電平門限(2.4V)。

 當(dāng)主控臺接收來自單線串口設(shè)備的數(shù)據(jù)時，光耦(U3)被VISOI電平或單線串口設(shè)備的數(shù)據(jù)端(DQ)調(diào)節(jié)。當(dāng)U1工作時, U3中的LED點(diǎn)亮。這將強(qiáng)置Rx為低電平。當(dāng)單線串口設(shè)備將DQ拉到低電平時，LED熄滅，而Rx變?yōu)楦唠娖健６鳸1關(guān)斷時，Rx變?yōu)楦?strong>電平，導(dǎo)致VISOI降低而熄滅LED。(微控制器上的Tx和Rx邏輯與單線串口設(shè)備上的邏輯相反。)

 這樣，由一個光耦、一個變壓器和一個Dallas單線串行線就構(gòu)成了一個位于主控制臺和精密的單線串口測溫設(shè)備之間的隔離傳感接口。在保持連接和器件成本最低的同時，該電路支持醫(yī)療和工業(yè)中的高壓應(yīng)用場合。