工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用的魯棒隔離式RS-232診斷端口

　　工業(yè)和儀器儀表(I&I) 應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是具有可靠的數(shù)據(jù)接口，用于通過診斷端口檢查相連系統(tǒng)。 RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是I&I 應(yīng)用中使用最早也最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS-232最初于1962年推出，是一種單端數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)；盡管有謠傳稱其很快消亡，但其實(shí)它現(xiàn)在仍然是短線通要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)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(tǒng)之間提供一個隔離接口，以預(yù)防高噪聲環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路并提高系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)換器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。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(xiàn)。

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總線和與該總線相連的每個系統(tǒng)之間提供電隔離，既允許在兩點(diǎn)之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，又可防止接地環(huán)路電流流過；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(xiàn)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(shù)據(jù)鏈路 ，則必須對數(shù)據(jù)信號線路和用于驅(qū)動該電纜的電源進(jìn)行隔離。來自診斷端口上UART的數(shù)據(jù)需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線側(cè)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為隔離總線側(cè)上的RS-232收發(fā)器供電。工業(yè)PC端也同樣需要如此：數(shù)據(jù)和電源均需要跨越隔離柵（圖3）。
　　通過將器件與RS-232電纜網(wǎng)絡(luò)隔離開來，診斷端口和工業(yè)PC電路均受到保護(hù)，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(xiàn)的接地環(huán)路。RS-232總線上可能出現(xiàn)的高共模電壓不能跨越隔離柵，從而保護(hù)隔離數(shù)據(jù)的用戶。

圖3. 隔離式RS-232接口

　　隔離技術(shù)：數(shù)據(jù)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(gòu)建可實(shí)現(xiàn)2.5 kV隔離的微型片上變壓器，從而在RS-232系統(tǒng)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(zhuǎn)換為光，光電檢測器則用于將光轉(zhuǎn)換回為電信號。電光轉(zhuǎn)換本身的低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致功耗相對較高；光電檢測器的慢速響應(yīng)則限制其速度；而老化問題會限制其使用壽命。
　　通過使用晶圓級工藝直接在片上制造變壓器，iCoupler 通道能以較低成本相互集成以及與其它半導(dǎo)體功能集成在一起。ADM3252E即是這樣的一個例子，它是一個緊湊器件中的隔離式雙通道RS-232收發(fā)器。i隔離技術(shù)至少在以下五個方面克服了舊式光耦合器解決方案所造成的限制：集成—集成iCoupler 支持雙向操作，因此可縮小總體尺寸并降低系統(tǒng)成本—、性能更高、功耗 更低、易于使用且可靠性更高。

圖4. 隔離技術(shù)比較

　　直到最近，跨越隔離柵傳輸電源需要使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器或定制分立方法，前者體積相對較大、價格昂貴且隔離不充分，后者則體積龐大且難以設(shè)計(jì)。即使是在隔離式RS-232數(shù)據(jù)通信等只需少量隔離電源的應(yīng)用中，這些方法也一直是唯一可行的替代方案。