設計適合惡劣環(huán)境下工業(yè)應用的魯棒隔離式RS-232數據接口

　　簡(jiǎn)介

　　工業(yè)和儀器儀表 (II) 應用的一個(gè)關(guān)鍵要求是具有可靠的數據接口，用于通過(guò)診斷端口檢查相連系統。 RS-232總線(xiàn)標準是II 應用中使用最早也最廣泛的物理層總線(xiàn)設計標準之一。RS-232最初于1962年推出，是一種單端數據傳輸標準;盡管有謠傳稱(chēng)其很快消亡，但其實(shí)它現在仍然是短線(xiàn)通要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實(shí)現魯棒的數據通信鏈路，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網(wǎng)絡(luò )與相連系統之間提供一個(gè)隔離接口，以預防高噪聲環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路并提高系統穩定性(圖1).RS-232通信鏈路的電源隔離利用隔離式DC/DC電源或ADI公司的isoPower? 集成式DC/DC轉換器技術(shù)實(shí)現。RS-232通信鏈路的信號隔離利用光耦合器或ADI公司的iCoupler? 技術(shù)實(shí)現。

　　圖1. 典型的隔離式RS-232通信鏈路

　　如圖2所示，隔離柵在RS-232總線(xiàn)和與該總線(xiàn)相連的每個(gè)系統之間提供電隔離，既允許在兩點(diǎn)之間傳輸數字數據，又可防止接地環(huán)路電流流過(guò);這樣可以消除耦合到通信電纜上的噪聲，從而降低信號失真和誤差。

　　圖2. 隔離功能

　　實(shí)現隔離式RS-232接口

　　要提供隔離式RS-232通信接口，兩端的器件必須與所連的RS-232電纜相互隔離。要隔離數據鏈路 ，則必須對數據信號線(xiàn)路和用于驅動(dòng)該電纜的電源進(jìn)行隔離。來(lái)自診斷端口上UART的數據需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線(xiàn)側上的RS-232收發(fā)器。本地5 V/3.3 V電源也需要跨越隔離柵來(lái)為隔離總線(xiàn)側上的RS-232收發(fā)器供電。工業(yè)PC端也同樣需要如此：數據和電源均需要跨越隔離柵(圖3)。

　　通過(guò)將器件與RS-232電纜網(wǎng)絡(luò )隔離開(kāi)來(lái)，診斷端口和工業(yè)PC電路均受到保護，不受惡劣環(huán)境下可能耦合到RS-232電纜上的瞬變影響。隔離還可以中斷因診斷端口和工業(yè)PC端存在不同接地電位而可能出現的接地環(huán)路。RS-232總線(xiàn)上可能出現的高共模電壓不能跨越隔離柵，從而保護隔離數據的用戶(hù)。

　　圖3. 隔離式RS-232接口

隔離技術(shù)：數據和電源

　　圖4比較了兩種主要隔離技術(shù)。i技術(shù)(圖4(a))利用厚膜工藝技術(shù)構建可實(shí)現2.5 kV隔離的微型片上變壓器，從而在RS-232系統中提供信號隔離。較古老但廣泛采用的光耦合器 解決方案(圖4(b))則采用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管。LED用于將電信號轉換為光，光電檢測器則用于將光轉換回為電信號。電光轉換本身的低轉換效率導致功耗相對較高;光電檢測器的慢速響應則限制其速度;而老化問(wèn)題會(huì )限制其使用壽命。