數(shù)字隔離器對USB實(shí)現(xiàn)隔離的方法介紹

早期的個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)繼承而來的。另一個可用的通訊標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，雖然速度慢，但因?yàn)榭珊唵蔚?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/實(shí)現(xiàn)">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)對點(diǎn)的缺點(diǎn)。

　　USB接口已取代RS-232，成為個人電腦及其外設(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連接。

　　本文討論了對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)提供了一個新的可選方案——ADuM41601 USB隔離器。這一突破性產(chǎn)品可簡單廉價地實(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)用中的使用價值。

　　關(guān)于通用串行總線

　　USB是個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)動器熱插拔。一臺主機(jī)可以集中星型方式連接多達(dá)127個設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可處理存儲設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸、流媒體的同步傳輸以及時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的中斷驅(qū)動型傳輸(如鼠標(biāo)移動)等各類傳輸。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)用要求連接必須簡單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來解決復(fù)雜性的問題。

　　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(圖1)。這些線也可傳遞單端數(shù)據(jù)以及用無源電阻實(shí)現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備連接到總線上時，無源電阻結(jié)構(gòu)中的電流對傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無驅(qū)動的空閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包，每幀可以包含時鐘同步位、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識符、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)在電纜的兩端對這個復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，這個專用控制器(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)某個外設(shè)首次連接到電纜上時，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)按照要求的傳輸類型格式化,并提供錯誤檢查和自動故障處理。SIE處理總線上的所有控制流，并按需要使能和禁用線驅(qū)動器和接收器。主機(jī)啟動所有的處理業(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可以內(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)這個總線的隔離面臨幾個挑戰(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，所實(shí)現(xiàn)的是一個可熱插拔的串行端口。接口芯片可通過改變固件來實(shí)現(xiàn)定制，以識別外設(shè)，從而允許創(chuàng)建定制的驅(qū)動程序;但每個外設(shè)可能都需要一個定制的適配器。除非該適配器是永久連在這個外設(shè)上，否則這將是維修人員的噩夢。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RS-232隔離。