數字隔離器對USB實(shí)現隔離的方法介紹

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準接口。這些標準是從最早的大型計算機繼承而來(lái)的。另一個(gè)可用的通訊標準RS-232接口，雖然速度慢，但因為可簡(jiǎn)單地實(shí)現所需要的魯棒隔離，很適合醫療和工業(yè)環(huán)境。由于得到廣泛使用并有良好的支持，人們容忍了其速度低和點(diǎn)對點(diǎn)的缺點(diǎn)。

　　USB接口已取代RS-232，成為個(gè)人電腦及其外設的標準端口，其特性幾乎在所有方面都遠遠優(yōu)于較老的串行端口。然而，對于要求隔離的醫療和工業(yè)應用，由于實(shí)現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USB實(shí)現隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現提供了一個(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)現外設隔離(特別是D+和D-線(xiàn)的隔離)，提高了USB在醫療和工業(yè)應用中的使用價(jià)值。

　　關(guān)于通用串行總線(xiàn)

　　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)操作系統的支持，且允許硬件和驅動(dòng)器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127個(gè)設備。許多數據傳輸模式可處理存儲設備的大批量數據傳輸、流媒體的同步傳輸以及時(shí)間關(guān)鍵型數據的中斷驅動(dòng)型傳輸(如鼠標移動(dòng))等各類(lèi)傳輸。USB以三種數據傳輸速率運行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。該規范創(chuàng )建后強化了消費應用，這些應用要求連接必須簡(jiǎn)單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來(lái)解決復雜性的問(wèn)題。

　　USB物理層只包含4條線(xiàn)：兩條向外設提供5V電源和地，另外兩條(D+和D-)構成可傳遞差分數據的雙絞線(xiàn)對(圖1)。這些線(xiàn)也可傳遞單端數據以及用無(wú)源電阻實(shí)現的空閑狀態(tài)。當設備連接到總線(xiàn)上時(shí)，無(wú)源電阻結構中的電流對傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無(wú)驅動(dòng)的空閑狀態(tài)。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時(shí)鐘同步位、數據類(lèi)型標識符、設備地址、數據有效載荷及包尾序列。

　　圖1. USB的標準組成。

　　串行接口引擎(SIE)在電纜的兩端對這個(gè)復雜的數據結構進(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USB協(xié)議，通常內置USB收發(fā)器硬件。當某個(gè)外設首次連接到電纜上時(shí)，SIE在 枚舉,2 期間向宿主計算機提供外設的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE把所有數據按照要求的傳輸類(lèi)型格式化,并提供錯誤檢查和自動(dòng)故障處理。SIE處理總線(xiàn)上的所有控制流，并按需要使能和禁用線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器。主機啟動(dòng)所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規定的數據序列在主機和外設之間交換數據，包括數據損壞和出現其它故障的情況。SIE可以?xún)冉ㄔ谖⑻幚砥髦?，因此它可能只有D+和D-線(xiàn)與外設相連。實(shí)現這個(gè)總線(xiàn)的隔離面臨幾個(gè)挑戰：

　　隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線(xiàn)是雙向的。

　　SIE不提供確定數據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，即與隔離阻障兩側的電路匹配。

　　隔離USB的典型方法主要是設法回避上述挑戰。

　　第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設備完全分離(圖2)。許多設備可把其它通用的串行總線(xiàn)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(xiàn)中實(shí)現的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢，所實(shí)現的是一個(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)現定制，以識別外設，從而允許創(chuàng )建定制的驅動(dòng)程序;但每個(gè)外設可能都需要一個(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準RS-232的速度，甚至遠低于低速USB的吞吐量。

　　圖2. 通過(guò)RS-232隔離。