作為與外圍設(shè)備串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，USB如今無(wú)處不在。然而，在許多情況下，工業(yè)設(shè)備仍然依賴(lài)于舊標(biāo)準(zhǔn)的RS-232進(jìn)行調(diào)試或主從連接。為了通過(guò)差分通信增加魯棒性，RS-422或RS-485也被廣泛使用，RS-485仍然是各種有線(xiàn)多節(jié)點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議使用的物理層標(biāo)準(zhǔn)。因此，用于調(diào)試或監(jiān)視的工具（例如只有用于串行通信的 USB 的筆記本電腦）上的可用接口與可能僅公開(kāi) RS-232、RS-422 或 RS-485 接口的工業(yè)設(shè)備之間可能存在不匹配。

除了任何USB到UART轉(zhuǎn)換所需的硬件接口外，電氣隔離是測(cè)試或監(jiān)控設(shè)備之間的任何接口電路以及在電氣惡劣環(huán)境中可能活躍使用的工業(yè)設(shè)備的功能和潛在安全要求。ADI公司的接口i耦合器和iso電源隔離技術(shù)的組合，集成在各種IC中，為彌合USB和傳統(tǒng)工業(yè)接口之間的差距提供了簡(jiǎn)單的解決方案。

為什么使用電流隔離？

與工業(yè)設(shè)備接口時(shí)，避免干擾這些系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。電流隔離可防止任何電流流動(dòng)，同時(shí)允許數(shù)據(jù)傳輸，從而保護(hù)被測(cè)單元和調(diào)試單元。連接調(diào)試控制臺(tái)（如筆記本電腦）時(shí)，有幾個(gè)明顯的危險(xiǎn)，如圖 1 所示。

圖1.潛在的電氣危險(xiǎn)。

如果調(diào)試設(shè)備接地，接地電位的差異會(huì)導(dǎo)致環(huán)路電流

如果調(diào)試設(shè)備未接地，靜電會(huì)排放到被測(cè)單元中

由于電機(jī)和繼電器的開(kāi)關(guān)噪聲，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓

某些基本的診斷設(shè)備（如筆記本電腦）可能沒(méi)有與工業(yè)設(shè)備相同的嚴(yán)格接口保護(hù)級(jí)別。

在USB到UART接口中，有兩種可能性：可以隔離USB接口或隔離UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。理論上，兩者都可以隔離，以保護(hù)接口模塊本身不受任何設(shè)備的影響，或者提供與串聯(lián)的兩個(gè)基本隔離接口的安全隔離。

使用i耦合器數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離

與光耦合器相比，采用i耦合器技術(shù)的數(shù)字隔離器具有高水平的電流隔離魯棒性，具有更高的可靠性和更低的功耗要求。與非隔離解決方案相比，其他IC功能（如收發(fā)器）可以集成到單芯片解決方案中，需要稍微增加PCB面積。這對(duì)于隔離RS-232或RS-485接口特別有利，在這些接口中，已經(jīng)需要IC以適當(dāng)?shù)碾妷喊l(fā)送和接收。

對(duì)于USB，兩個(gè)信號(hào)D+和D?需要透明隔離或具有自定義軟件驅(qū)動(dòng)程序，以免干擾USB握手協(xié)議。使用USB數(shù)字隔離器（如ADuM3160）可在寬體SOIC封裝中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。隔離器的一側(cè)通過(guò)USB電纜提供電源，因此隔離側(cè)也應(yīng)提供類(lèi)似的電源。ADuM5000在單個(gè)寬體SOIC中提供隔離電源，采用集成isoPower芯片級(jí)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離電源。如果需要額外的功率水平，可以使用外部變壓器和整流器，這需要變壓器驅(qū)動(dòng)器和次級(jí)穩(wěn)壓器，它們組合在ADuM3070中。

為了隔離RS-232，需要隔離發(fā)送（Tx）和接收（Rx）信號(hào)以及一些控制信號(hào)（RTS和CTS）。但是，除了UART的TTL接口外，還需要RS-232收發(fā)器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232電壓電平。還需要一個(gè)隔離電源為隔離器的收發(fā)器和收發(fā)器側(cè)供電。如圖2所示，ADM3252E集成了所有三個(gè)組件（信號(hào)隔離、收發(fā)器和隔離電源），從而形成單個(gè)BGA占板面積，以提供完整的隔離式RS-232接口。

圖2.ADM3252E原理框圖

RS-485還需要一個(gè)收發(fā)器與2線(xiàn)總線(xiàn)（A和B）或4線(xiàn)總線(xiàn)（A、B、Y和Z）接口。要隔離的信號(hào)包括發(fā)射 （TxD）、接收 （RxD）、驅(qū)動(dòng)器使能 （DE） 和接收器使能 （RE）。

與RS-232解決方案類(lèi)似，ADM2587E提供完全隔離的RS-485接口，如圖3所示，包括為器件收發(fā)器側(cè)供電所需的集成isoPowerDC-DC轉(zhuǎn)換器。收發(fā)器也可用于RS-422通信。

圖3.ADM2587E原理框圖

隔離式USB轉(zhuǎn)工業(yè)串行接口選項(xiàng)

為了與工業(yè)設(shè)備上的串行端口接口，RS-232、RS-422或RS-485收發(fā)器必須與USB轉(zhuǎn)UART芯片（如FTDI FT2232H）結(jié)合使用。隔離可以在多個(gè)串行接口上單獨(dú)提供，例如，使用ADM3252E的RS-232端口和使用ADM2587E的RS-485端口，兩者都托管在同一USB連接上。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是將兩個(gè)端口彼此隔離，從而減少了連接到兩個(gè)工業(yè)設(shè)備時(shí)的潛在危險(xiǎn)。此外，無(wú)需單獨(dú)的隔離電源，因?yàn)榻涌趥?cè)電源在ADM3252E和ADM2587E中均采用isoPower技術(shù)在內(nèi)部生成。

或者，可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔離器輕松地將隔離定位在單個(gè)點(diǎn)上。這意味著可以使用標(biāo)準(zhǔn)串行接口IC。但是，這些端口不是單獨(dú)隔離的，需要隔離電源解決方案（如ADuM3070）為USB至UART芯片、收發(fā)器和USB隔離器的下游側(cè)供電。

這兩種方法都在參考電路CN-0373的單個(gè)板上演示，如圖4所示。它結(jié)合了ADuM3160隔離USB接口，ADuM3070為電路板（包括USB轉(zhuǎn)UART芯片）提供隔離電源，ADM3252E/ADM2587E分別隔離RS-232、RS-422和RS-485接口。

圖4.USB 到 UART。

結(jié)論

電流隔離是工業(yè)環(huán)境中設(shè)備接口的重要組成部分。采用i耦合器技術(shù)的數(shù)字隔離器允許將其與訪(fǎng)問(wèn)工業(yè)串行接口所需的IC集成，并允許USB接口的透明隔離。這允許為工業(yè)應(yīng)用提供完全隔離的USB到串行實(shí)現(xiàn)。為了說(shuō)明此應(yīng)用的可能隔離解決方案，ADI公司提供了電路筆記CN-0373：隔離式USB轉(zhuǎn)隔離式RS-485/隔離式RS-232接口。這在USB接口以及RS-232和RS-485端口上完全隔離了USB到UART芯片，從而可以全面測(cè)試和演示所提供的魯棒性。

審核編輯：郭婷