利用功能隔離器中斷接地環(huán)路以減少數據傳輸錯誤

圖3: 利用USB電纜連接兩個(gè)交流電源供電的器件造成接地環(huán)路中斷總線(xiàn)通信

由于沒(méi)有控制信號來(lái)指示數據是傳輸到下游（外設）還是上游（主機），因此隔離USB端口以消除電纜接地連接是一件很困難的事情。在無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)控制總線(xiàn)的串行接口引擎(SIE)內部信號的情況下，確定數據方向的唯一辦法是通過(guò)總線(xiàn)處理。SIE的信號之所以不可用，是因為SIE常常被集成到處理器中。

有多種方法可以隔離USB。例如，可以利用一個(gè)外部SIE來(lái)避免隔離D+和D-的難題，該SIE由一個(gè)采用單向信號的串行接口（如SPI等）控制。SPI為單向接口，因而更容易隔離。

圖4說(shuō)明了這種方法。光耦合器的傳播延遲會(huì )嚴重限制隔離SPI的速度，因此使用一個(gè)四通道數字隔離器。外部USB控制器從其緩沖器發(fā)送數據，緩沖器通過(guò)SPI接口加載。雖然外部SIE以外設最快的數據速率傳輸數據，但總線(xiàn)的有效數據速率受制于控制器使SIE緩沖器保持填滿(mǎn)的能力。這種情況下，數字隔離器的傳播延遲可能是一個(gè)瓶頸。由于使用外部SIE，這種方法會(huì )占用較大的板空間，而且可能需要修改外設驅動(dòng)。

圖4: 利用外部SIE隔離D+和D-線(xiàn)路

更簡(jiǎn)單的方法是利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線(xiàn)路，如圖5所示。使用這款數字隔離器時(shí)，主機和外設的驅動(dòng)均無(wú)需修改，其內部邏輯通過(guò)USB協(xié)議確定D+和D-的方向，并且相應地停用驅動(dòng)。2.5kV隔離柵斷開(kāi)通過(guò)USB電纜的接地連接，如若不然，就會(huì )形成一個(gè)接地環(huán)路。

圖5: 利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線(xiàn)路

我們設計了一個(gè)接地環(huán)路的簡(jiǎn)單硬件仿真模型，以此說(shuō)明有線(xiàn)通信中接地環(huán)路的危害，以及通過(guò)電流隔離來(lái)中斷接地環(huán)路的有效性。測試設置產(chǎn)生的接地環(huán)路連接到USB電纜以及USB集線(xiàn)器和外設的電源，通過(guò)一臺筆記本電腦進(jìn)行控制。此設置將交流電源線(xiàn)的60 Hz信號通過(guò)一個(gè)互感器耦合到接地線(xiàn)路，這與電源線(xiàn)的磁場(chǎng)在接地環(huán)路中產(chǎn)生噪聲的原理相似，因為它依賴(lài)的是同一噪聲源?？勺兇?lián)電阻使得流經(jīng)接地環(huán)路的電流是可調的。測量從集線(xiàn)器地到外設地的電壓，并且提高流經(jīng)接地環(huán)路的電流，直到它中斷與集線(xiàn)器的通信。測試中使用了兩個(gè)不同的外設，當外設地由于仿真接地環(huán)路電流提高而比集線(xiàn)器地高出1Vrms以上時(shí)，兩個(gè)外設一致地失去與集線(xiàn)器和筆記本電腦的通信。利用ADuM3160 USB隔離器隔離集線(xiàn)器端口中斷了通過(guò)USB電纜的接地連接，防止互感器耦合的電流流動(dòng)，從而有效地恢復了PC與任一外設的通信，這說(shuō)明可以利用數字隔離來(lái)防止形成接地環(huán)路。

總之，在有線(xiàn)通信中，接地環(huán)路可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。器件之間的多個(gè)接地連接會(huì )形成一個(gè)環(huán)路，接地環(huán)路可能拾取鄰近交流磁場(chǎng)的干擾噪聲。此外，如果存在地電位差（長(cháng)距離通信可能會(huì )有這種現象），則它也會(huì )貢獻接地環(huán)路噪聲電流。以上任一種現象都可能造成數據錯誤。USB接口是可能遭受接地環(huán)路干擾影響的接口之一，而且不容易通過(guò)分立數字隔離器進(jìn)行隔離。接地環(huán)路的硬件仿真提供了一個(gè)實(shí)際的例子，說(shuō)明了接地環(huán)路如何影響USB接口，以及USB隔離器ADuM3160如何解決這種問(wèn)題。接地環(huán)路對USB之外的其他接口也可能造成問(wèn)題。