數(shù)字隔離器是一種方便易用的USB隔離方法

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，個(gè)人電腦（PC）可以使用USB通過連接電纜與外設(shè)進(jìn)行通信。但是出于安全考慮，在某些應(yīng)用中需要隔離USB通信或隔斷接地回路。遺憾的是，由于USB連接電纜上的數(shù)據(jù)流是雙向傳輸，所以隔離工作也非易事。這篇文章討論的就是方便易用的USB隔離設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)，并對比了各種不同的解決方案。“透明的”理想方案是將添加隔離設(shè)備帶給系統(tǒng)的影響降至最低限度，而這樣的解決方案目前已經(jīng)成為可能。

本設(shè)計(jì)實(shí)例主要針對的是以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行的USB2.0：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。簡單起見，本文著重探討了12Mbps的全速USB，且實(shí)例中的大部分實(shí)現(xiàn)原理也適用于以其他數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行的USB設(shè)備。

關(guān)于USB

USB大受歡迎的一個(gè)原因是其簡單的4線接口設(shè)計(jì)，不但可以為外設(shè)供電，還可以在外設(shè)和PC間充當(dāng)串行數(shù)據(jù)鏈路。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的USB(參考文獻(xiàn)1)連接示意圖。VBUS線可以為外設(shè)提供5V電力，GND為接地線，而D+和D-則用來傳輸數(shù)據(jù)。信號是雙向半雙工傳輸，意味著數(shù)據(jù)可以在線纜的任意方向流動(dòng)，但是無論何時(shí)，最多只有一個(gè)發(fā)射器可以有效驅(qū)動(dòng)該線纜。在通信過程中，USB發(fā)射器驅(qū)動(dòng)差分或單端狀態(tài)信號到D+和D-線。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)包，其中有特別的信號序列標(biāo)識數(shù)據(jù)包的頭部和尾部。有時(shí)，總線會(huì)處于空閑狀態(tài)，也就意味著沒有發(fā)射器處于活躍狀態(tài)，此時(shí)與線纜兩端相連的電阻在D+和D-線建立起“空閑”總線狀態(tài)?？臻e狀態(tài)會(huì)促成兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間總線的初始化，并使主機(jī)了解外設(shè)何時(shí)連接或斷開以及外設(shè)期望的通信速率（1.5Mbps、12Mbps或480Mbps）。



隔離USB主機(jī)和外設(shè)的方法

現(xiàn)在想象一下對主機(jī)和外設(shè)進(jìn)行電氣隔離的方法。如參考文獻(xiàn)1中提到的，添加隔離阻障的方法有很多。但是無論如何都必須對信號進(jìn)行隔離。信號是高速運(yùn)行還是雙向運(yùn)行要取決于隔離阻障的具體添加位置，增加了從具體零部件中構(gòu)建隔離阻障的難度。這樣一來，隔離過程需要使用到更多的材料，而且也很難發(fā)現(xiàn)完全符合信號要求的分離組件。

圖2a給出的是一種可能的隔離方法，其中虛線表示對USB線纜的概念分割。有關(guān)D+和D-線的信息可以穿過隔離阻障，但是電流不可以。在這種情況下，接地端1（上游側(cè)接地基準(zhǔn)）是獨(dú)立于接地端2（下游側(cè)接地基準(zhǔn)）的一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)。不幸的是，這種隔離方法使主機(jī)無法“看到”下游側(cè)上拉電阻，且外設(shè)也無法“看到”上游側(cè)下拉電阻。因此，正如圖2b所示，這種隔離方法需要一些額外的電阻來模擬其相對物穿過隔離阻障的連接方式。在這一“透明”隔離概念中，主機(jī)與外設(shè)之間的通信與圖1非隔離USB連接的運(yùn)行原理類似。透明的USB隔離器組件簡單地插入到某個(gè)收發(fā)器與USB線纜之間，還有一個(gè)隔離電源。最初為非隔離應(yīng)用設(shè)計(jì)的主機(jī)和外設(shè)可以輕松地連接到USB隔離器上，無需重大更改即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB信號的交互。

假如可以真正實(shí)現(xiàn)，這種方法還是極具吸引力的，但是真正實(shí)現(xiàn)起來需要面臨各種挑戰(zhàn)。舉例來說，獨(dú)立式光耦合器或者數(shù)字隔離器一般不支持USB兼容驅(qū)動(dòng)特性，也不支持雙向半雙工通信。此外，很多光耦合器無法以12Mbps或更快的速度運(yùn)行，且傳播延遲較長并存在定時(shí)誤差，這些都不符合USB2.0的定時(shí)要求。還有一些問題會(huì)在后面講述。

現(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)移一下注意力，考慮一下不透明的替代選擇，比如參考文獻(xiàn)1中描述的那些。這些方案不再對USB線纜平分隔離，而是把隔離阻障放置到主機(jī)或外設(shè)的硬件中—可以放置在USB收發(fā)器與串行接口引擎（SIE）之間，或者串行接口引擎與USB控制器之間。這樣就可以將單向數(shù)字邏輯信號與獨(dú)立式通用隔離器分離開來。但是，這樣的方案也存在一些重大缺陷。首先，USB收發(fā)器或控制器硬件必須經(jīng)過定制，使其能夠容納隔離組件；還可能需要一些額外的微控制器代碼或USB驅(qū)動(dòng)軟件方面的改動(dòng)。所有這些無疑會(huì)加大系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工作負(fù)擔(dān)。而由于這些方案比較復(fù)雜且需要不同的組件，也會(huì)大大增加所需的板空間。

另外一個(gè)缺陷就是，數(shù)據(jù)傳送需要USB收發(fā)器和單獨(dú)隔離方案的一系列組合，可能會(huì)導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量降低。此外，隔離方案可能會(huì)增加與編解碼成其它串行格式如串行外設(shè)接口（SPI）相關(guān)的延遲或者與隔離組件低速或非精確定時(shí)相關(guān)的延遲。

雖然有這些不足之處，但在過去難以克服實(shí)現(xiàn)透明USB隔離器的挑戰(zhàn)時(shí)，這些方案是唯一可行的選擇。但是現(xiàn)在，透明的隔離解決方案已成為現(xiàn)實(shí)，本文的后半部分將具體描述一個(gè)完全符合要求的實(shí)例。

透明USB隔離器的要求

USB隔離器系統(tǒng)必須滿足下述要求，才能實(shí)現(xiàn)真正的“透明”操作：

作為標(biāo)準(zhǔn)的USB收發(fā)器，USB隔離器系統(tǒng)必須能夠以同樣的方式驅(qū)動(dòng)UD+、UD-、DD+和DD-，且實(shí)際上應(yīng)包含兩個(gè)USB兼容收發(fā)器，分別位于絕緣阻障的兩端（圖3）。

USB隔離器系統(tǒng)的收發(fā)器必須能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)送和接收信息，以管理USB線纜上的雙向通信，且USB隔離器系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確地復(fù)制所有驅(qū)動(dòng)和空閑狀態(tài)。要想準(zhǔn)確地復(fù)制空閑狀態(tài)，USB隔離器系統(tǒng)必須在上游側(cè)設(shè)置一個(gè)上拉電阻器來模擬連接至下游側(cè)外設(shè)上的上拉電阻的狀態(tài)。當(dāng)然，也可以在下游側(cè)設(shè)置一些下拉電阻。此外，必須對總線進(jìn)行監(jiān)控，識別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號，以便能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對各種狀況。

USB隔離器內(nèi)部的信號隔離器組件必須能夠穿過隔離阻障來回交流D+和D-數(shù)據(jù)。如果信號隔離器是單向的（因?yàn)橐话闱闆r下都是），USB隔離器系統(tǒng)需要多個(gè)隔離通道，有些負(fù)責(zé)在下游方向傳送數(shù)據(jù)，有些負(fù)責(zé)在相反的上游方向傳送數(shù)據(jù)。

信號隔離器必須能夠快速運(yùn)行且具備準(zhǔn)確定時(shí)功能，這樣才能滿足USB信令速率與傳播延遲和定時(shí)誤差的要求。

USB隔離器的兩端均應(yīng)支持5V或3.3V電源。如果是5V電源，隔離器應(yīng)能夠衍生出適用于一側(cè)USB收發(fā)器的3.3V穩(wěn)壓電源。如果是3.3V電源，隔離器能夠旁路調(diào)節(jié)器，直接使用該電源為USB收發(fā)器供電。

透明USB隔離器的實(shí)現(xiàn)

美國ADI公司的ADuM4160 USB數(shù)字隔離器（參考文獻(xiàn)2）符合上述所有要求，并集成在16引腳小型SOIC封裝中。圖3給出的是ADuM4160的框圖。該器件包含一對USB收發(fā)器，5條iCoupler數(shù)字隔離通道、控制邏輯和兩個(gè)“智能調(diào)節(jié)器”。此外，該器件還包括一個(gè)1.5kΩ的上游側(cè)上拉電阻和數(shù)個(gè)15kΩ的下游側(cè)下拉電阻。

ADuM4160的USB收發(fā)器由一個(gè)簡化控制器進(jìn)行控制，無需完全解碼和分析數(shù)據(jù)包即可實(shí)現(xiàn)隔離功能。此外，它還可以監(jiān)控UD+、UD-、DD+和DD-，識別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號，從而在忽略數(shù)據(jù)包內(nèi)容的同時(shí)正確地使能或去使能USB收發(fā)器。當(dāng)在下游側(cè)從主機(jī)向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，圖3中上方的兩條隔離通道處于有效狀態(tài)，用作上游側(cè)USB接收器和下游側(cè)USB發(fā)射器。數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-.當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時(shí)，USB隔離器檢測到尾部序列后就會(huì)去使能所有USB收發(fā)器，使總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。如果接下來外設(shè)開始向上游側(cè)傳輸數(shù)據(jù)包，USB隔離器檢測到數(shù)據(jù)包頭部序列后就會(huì)使能第三和第四條隔離通道以及上游側(cè)USB發(fā)射器，并將數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-，直到數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束。然后，總線再次進(jìn)入空閑狀態(tài)，所有發(fā)射器也被關(guān)閉，等待新的數(shù)據(jù)傳輸。

ADuM4160使用第五隔離通道來傳遞下游側(cè)（參考文獻(xiàn)3）控制線路的狀態(tài)信息，從而激活一個(gè)集成于上游側(cè)的上拉電阻，這使得下游端口能夠控制上游端口何時(shí)連接USB總線。該引腳可以連接到外設(shè)上拉電阻、一條控制線路或VDD2引腳，具體取決于何時(shí)執(zhí)行初始總線連接。將該引腳連接到外設(shè)上拉電阻可以使上游側(cè)上拉電阻模擬其狀態(tài)，同時(shí)ADuM4160的下拉電阻可以模擬連接到主機(jī)的下拉電阻的狀態(tài)。所有有效與空閑狀態(tài)均可從隔離阻障的一側(cè)復(fù)制到另一側(cè)。

隔離通道是使用芯片級變壓器技術(shù)實(shí)現(xiàn)隔離通信的數(shù)字隔離器。每一單個(gè)通道的運(yùn)行速度均超過100Mbps，可以輕松支持12Mbps的全速USB數(shù)據(jù)傳輸。把所有通道集成到一個(gè)單獨(dú)的芯片上可以實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的嚴(yán)密控制，從而降低定時(shí)誤差，以滿足USB的定時(shí)要求。此外，穿過ADuM4160的全部傳播延遲相當(dāng)于穿過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB集線器的延遲，且靜態(tài)功耗要低于空閑總線的USB限制值。

智能調(diào)節(jié)器支持上面第5條要求中提到的電源選項(xiàng)，且無需明確的用戶控制（參考文獻(xiàn)4）。如要使用5V電源（例如上游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，則要將該5V電源連接到合適的VBUS引腳（如VBUS1）上，且將VDD1設(shè)為斷開狀態(tài)。當(dāng)傳感器檢測到電壓是應(yīng)用于VBUS1而非VDD1時(shí)，傳感器會(huì)激活3.3V調(diào)節(jié)器，為VDD1供電。

要想使用3.3V電源（例如下游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，要將3.3V電源與VBUS2和VDD2相連接。當(dāng)傳感器檢測到兩側(cè)引腳上同時(shí)出現(xiàn)外加電壓時(shí)，就會(huì)去使能片上調(diào)節(jié)器，直接使用外接3.3V電源。

結(jié)論

從概念上講，“透明”USB隔離器是把USB線纜數(shù)一分為二，與原本為非隔離應(yīng)用設(shè)計(jì)的USB硬件一起使用操作起來非常簡單。這與在主機(jī)或外設(shè)硬件內(nèi)部放置隔離組件的方案相比形成強(qiáng)烈的反差，因?yàn)槟且环桨感枰M(jìn)行大量的硬件改裝，甚至可能會(huì)降低USB的性能。在使用現(xiàn)有通用隔離器等分離組件的情況下，實(shí)現(xiàn)透明概念的隔離具有很大的挑戰(zhàn)性。然而，最新的集成解決方案如ADuM4160通過單個(gè)便利封裝克服了上述挑戰(zhàn)，大大簡化了USB應(yīng)用中添加隔離阻障的問題。

參考文獻(xiàn)

1. Hauck， Lane，“Isolating USB”， EDN magazine， July 2006.

2. Information on ADuM4160， iCoupler digital isolators， and other

Analog Devices products can be found at www.a na log.com/icoupler.

3. US patent #8432182.

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