數(shù)字隔離器對(duì)USB實(shí)現(xiàn)隔離的方法介紹

早期的個(gè)人電腦以串行和并行端口作為與外部世界連接的標(biāo)準(zhǔn)接口。這些標(biāo)準(zhǔn)是從最早的大型計(jì)算機(jī)繼承而來(lái)的。另一個(gè)可用的通訊標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，雖然速度慢，但因?yàn)榭珊?jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)所需要的魯棒隔離，很適合醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境。由于得到廣泛使用并有良好的支持，人們?nèi)萑塘似渌俣鹊秃忘c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的缺點(diǎn)。

　　USB接口已取代RS-232，成為個(gè)人電腦及其外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)端口，其特性幾乎在所有方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于較老的串行端口。然而，對(duì)于要求隔離的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，由于實(shí)現(xiàn)隔離的難度大且成本高，USB一直主要用作診斷端口和臨時(shí)連接。

　　本文討論了對(duì)USB實(shí)現(xiàn)隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現(xiàn)提供了一個(gè)新的可選方案——ADuM41601 USB隔離器。這一突破性產(chǎn)品可簡(jiǎn)單廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)外設(shè)隔離(特別是D+和D-線的隔離)，提高了USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的使用價(jià)值。

　　關(guān)于通用串行總線

　　USB是個(gè)人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業(yè)操作系統(tǒng)的支持，且允許硬件和驅(qū)動(dòng)器熱插拔。一臺(tái)主機(jī)可以集中星型方式連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可處理存儲(chǔ)設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸、流媒體的同步傳輸以及時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的中斷驅(qū)動(dòng)型傳輸(如鼠標(biāo)移動(dòng))等各類(lèi)傳輸。USB以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。該規(guī)范創(chuàng)建后強(qiáng)化了消費(fèi)應(yīng)用，這些應(yīng)用要求連接必須簡(jiǎn)單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來(lái)解決復(fù)雜性的問(wèn)題。 

　　USB物理層只包含4條線：兩條向外設(shè)提供5V電源和地，另外兩條(D+和D-)構(gòu)成可傳遞差分?jǐn)?shù)據(jù)的雙絞線對(duì)(圖1)。這些線也可傳遞單端數(shù)據(jù)以及用無(wú)源電阻實(shí)現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備連接到總線上時(shí)，無(wú)源電阻結(jié)構(gòu)中的電流對(duì)傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無(wú)驅(qū)動(dòng)的空閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包，每幀可以包含時(shí)鐘同步位、數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)有效載荷及包尾序列。

　　圖1. USB的標(biāo)準(zhǔn)組成。

　　串行接口引擎(SIE)在電纜的兩端對(duì)這個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，這個(gè)專(zhuān)用控制器(或作為更大控制器的一部分)實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議，通常內(nèi)置USB收發(fā)器硬件。當(dāng)某個(gè)外設(shè)首次連接到電纜上時(shí)，SIE在 枚舉,2 期間向宿主計(jì)算機(jī)提供外設(shè)的配置信息和功率要求。在運(yùn)行期間，SIE把所有數(shù)據(jù)按照要求的傳輸類(lèi)型格式化,并提供錯(cuò)誤檢查和自動(dòng)故障處理。SIE處理總線上的所有控制流，并按需要使能和禁用線驅(qū)動(dòng)器和接收器。主機(jī)啟動(dòng)所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規(guī)定的數(shù)據(jù)序列在主機(jī)和外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)損壞和出現(xiàn)其它故障的情況。SIE可以?xún)?nèi)建在微處理器中，因此它可能只有D+和D-線與外設(shè)相連。實(shí)現(xiàn)這個(gè)總線的隔離面臨幾個(gè)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)傳輸方向的外部方式。

　　隔離器必須與無(wú)源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側(cè)的電路匹配。

　　隔離USB的典型方法主要是設(shè)法回避上述挑戰(zhàn)。

　　第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設(shè)備完全分離(圖2)。許多設(shè)備可把其它通用的串行總線與USB連接;圖2中顯示了RS-232與USB的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能;隔離是在低速串行線中實(shí)現(xiàn)的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢(shì)，所實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)可熱插拔的串行端口。接口芯片可通過(guò)改變固件來(lái)實(shí)現(xiàn)定制，以識(shí)別外設(shè)，從而允許創(chuàng)建定制的驅(qū)動(dòng)程序;但每個(gè)外設(shè)可能都需要一個(gè)定制的適配器。除非該適配器是永久連在這個(gè)外設(shè)上，否則這將是維修人員的噩夢(mèng)。此外，接口的速度將被限制在標(biāo)準(zhǔn)RS-232的速度，甚至遠(yuǎn)低于低速USB的吞吐量。

　　圖2. 通過(guò)RS-232隔離。
第二種方法：使用帶有易隔離接口的獨(dú)立SIE(圖3)。市場(chǎng)上有幾種產(chǎn)品(如SPI)使用快速單向接口把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)可對(duì)SPI總線實(shí)現(xiàn)完全隔離。由于SIE包含可通過(guò)SPI總線填充的緩沖存儲(chǔ)器，SPI的運(yùn)行速度在很大程度上可不依賴(lài)于USB的速度。SIE將與USB主機(jī)協(xié)商其可能的最高連接速度，并以協(xié)商得出的總線速度分發(fā)數(shù)據(jù)，直到把緩沖中的數(shù)據(jù)傳遞完。此時(shí)，SIE會(huì)通知主機(jī)如果有更多的數(shù)據(jù)需要傳送則重試，并留出時(shí)間使SPI接口可為下一個(gè)傳輸循環(huán)重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，并忽視內(nèi)置在外設(shè)的微處理器中的USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。

　　圖3. 通過(guò)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，則可以對(duì)微處理器和收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)和控制線進(jìn)行隔離(圖4)。但是，這種方式要求在SIE和收發(fā)器之間有9條單向數(shù)據(jù)線。在高速數(shù)字隔離器中，這將帶來(lái)極大的成本問(wèn)題。此外，現(xiàn)有的速度最快的數(shù)字隔離器工作在約150Mbps，雖然遠(yuǎn)高于低速和全速USB，但不能處理高速數(shù)據(jù)，限制了USB接口的速度范圍。該方案與為微處理器SIE提供的USB驅(qū)動(dòng)器完全兼容，可降低開(kāi)發(fā)成本，但需使用多個(gè)隔離通道致使實(shí)現(xiàn)成本高昂。此類(lèi)收發(fā)器接口將被集成度要求日益提高的市場(chǎng)所淘汰。

　　圖4. 隔離的外部USB收發(fā)器。

　　第四種方法：直接在D+和D-線線中插入隔離(圖5)。這種方式允許在現(xiàn)有的USB應(yīng)用中添加D+/D-隔離，而無(wú)需重寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但是，D+和D-線的隔離較為復(fù)雜，因?yàn)楦綦x器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運(yùn)行不應(yīng)要求額外的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

　　圖5. 隔離D+/D-線。

　　新型芯片級(jí)器件ADuM4160 USB隔離器解決了這些挑戰(zhàn)性難題(圖6)，它支持低速和全速USB的D+和D-線直接隔離。

　　圖6. ADuM4160的框圖。
ADI公司的iCoupler® 技術(shù)3 特別適合于構(gòu)建USB隔離器。在開(kāi)發(fā)USB隔離器時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)是正確確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，以及何時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器以讓總線處在空閑狀態(tài)。USB數(shù)據(jù)的面向數(shù)據(jù)包特性使我們可以使用一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定數(shù)據(jù)方向，免去了整個(gè)SIE的開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)總線空閑時(shí)，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅(qū)動(dòng)總線。

　　ADuM4160監(jiān)視總線的上游和下游部分，等待來(lái)自任何方向的躍遷信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到躍遷信號(hào)時(shí)，則對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼并傳過(guò)隔離阻障。這些數(shù)據(jù)被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅(qū)動(dòng)器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開(kāi)始，由于數(shù)據(jù)流的方向已得到確認(rèn)，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)收到數(shù)據(jù)，隔離器就沿相同的方向繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)USB數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)，ADuM4160傳輸特殊的數(shù)據(jù)——包尾序列。包尾序列包含非差分信號(hào)，而非差分信號(hào)不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ADuM4160可以區(qū)分有效數(shù)據(jù)和包尾標(biāo)識(shí)。包尾標(biāo)識(shí)通知總線返回空閑狀態(tài)。然后，ADuM4160禁用輸出驅(qū)動(dòng)器，并開(kāi)始監(jiān)視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號(hào)將決定下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?/span>

　　此外，當(dāng)發(fā)生總線錯(cuò)誤時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器將使ADuM4160返回空閑狀態(tài)。ADuM4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是iCoupler技術(shù)的核心能力之一。

　　隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側(cè)支持一個(gè)獨(dú)立的USB總線段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當(dāng)在總線上有某個(gè)設(shè)備需要進(jìn)入初始化序列(稱(chēng)為枚舉)時(shí)，上拉電阻發(fā)出信號(hào)。知道外設(shè)的工作速度以及何時(shí)應(yīng)連接上拉電阻，使枚舉過(guò)程以受控的方式啟動(dòng)。有幾個(gè)因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設(shè)計(jì)保證對(duì)所有給定的電源組合給出可預(yù)測(cè)的操作。有時(shí)，如外設(shè)需在開(kāi)始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話，外設(shè)要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側(cè)提供了一個(gè)控制引腳以便由外設(shè)來(lái)決定何時(shí)開(kāi)始枚舉。

　　該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設(shè)僅需一個(gè)電源。ADuM4160還具有良好的ESD保護(hù)能力，通常允許在連接器的D+和D-引腳沒(méi)有外部保護(hù)電路的情況下熱插拔。

　　ADuM4160可按以下三種方式之一使用：

　　安裝在外設(shè)中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個(gè)配置為基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了電源和控制配置(圖7)。

　　可用來(lái)隔離集線器以及集線器所有的下游外設(shè)(圖8)。

　　可用于隔離電纜(圖9)。

　　下面的示例給出了ADuM4160在這些應(yīng)用中的連接方法。

　　在外設(shè)應(yīng)用中(圖7)，外設(shè)有自己的電源，幾乎不需要從USB電纜獲得能量——只需約10毫瓦來(lái)驅(qū)動(dòng)該隔離器的上游側(cè)和上拉電阻。由于外設(shè)以單一速度運(yùn)行，該隔離器按期望的速度(全速或低速)設(shè)置以硬連線方式與外設(shè)連接。如果外設(shè)端口具有高速性能，那么，它在枚舉期間發(fā)送高速的“chirp”信號(hào)。這通常會(huì)啟動(dòng)速度協(xié)商以實(shí)現(xiàn)高速操作，但ADuM4160會(huì)阻斷“chirp”信號(hào)并自動(dòng)迫使高速外設(shè)運(yùn)行在全速模式。對(duì)不帶電源的低功耗外設(shè)，可用隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器(如ADuM5000)給外設(shè)供電，而ADuM4160從USB電纜汲取能量。

　　圖7. 隔離的外設(shè)端口。

　　在作為集線器隔離器使用時(shí)，ADuM4160把集線器作為外設(shè)來(lái)對(duì)待(圖8)。ADuM4160設(shè)置為全速，其它部分與上面討論的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)類(lèi)似。在ADuM4160的chirp功能干預(yù)下，集線器被迫以全速運(yùn)行。即使ADuM4160以固定的速度運(yùn)行，集線器芯片都可以連接到低速和全速設(shè)備的各種組合。集線器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動(dòng)或延遲啟動(dòng)的方式進(jìn)行。集線器要求提供的能量通常高于上游電纜通過(guò)隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電的能力。

　　圖8. 隔離的集線器。
驅(qū)動(dòng)隔離的USB電纜(圖9)需使用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，電纜的下游部分必須向外設(shè)的上拉電路提供5V電源?？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用于提供這個(gè)電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設(shè)備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower®器件的使用方法4 。在這個(gè)應(yīng)用中，ADuM4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個(gè)USB速度運(yùn)行，要切換速度模式須重新接線或通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)以手動(dòng)方式切換或采用更復(fù)雜的電路，這依賴(lài)于末端用戶(hù)的需求。

　　圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　USB已融入我們的生活。ADI公司具有突破性的ADuM4160隔離器可在USB應(yīng)用中簡(jiǎn)單而廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)外設(shè)隔離，進(jìn)而使USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出診斷端口和臨時(shí)連接的范圍。著重于在D+/D–線中提供隔離，ADuM4160極大地簡(jiǎn)化了隔離的實(shí)現(xiàn)。它支持全速和低速運(yùn)行，可滿足眾多應(yīng)用的帶寬要求。