1-Wire總線在需要電氣隔離的醫(yī)療設(shè)備中傳感器和耗材的認(rèn)證和校準(zhǔn)中越來越受歡迎。本文以應(yīng)用筆記4206“為嵌入式應(yīng)用選擇合適的1-Wire主機(jī)”為基礎(chǔ)，介紹如何修改現(xiàn)有的1-Wire主機(jī)電路以實(shí)現(xiàn)電流隔離。除了經(jīng)典的光隔離器外，近年來還開發(fā)了使用磁耦合和電容耦合的數(shù)字隔離器。本應(yīng)用筆記介紹了這些技術(shù)和產(chǎn)品線，并識別和比較了適用于1-Wire主電路的隔離器。

介紹

當(dāng)電力首次用于實(shí)際用途時(shí)，科學(xué)家們很快意識到安全對于成功利用這種形式的能源至關(guān)重要。最明顯的安全措施是遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的電壓。如果無法避免這種情況，用戶必須將“火線”與其他對象隔離。隨著時(shí)間的推移，更復(fù)雜的安全措施不斷發(fā)展，其中最重要的是電氣隔離：一種隔離屏障，將電氣系統(tǒng)的功能部分分開，但允許能量和數(shù)據(jù)自由流動(dòng)。在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電氣隔離可保護(hù)用戶免受電氣危害，同時(shí)保護(hù)設(shè)備免受接地回路、環(huán)境中的電氣噪聲和靜電放電的影響。這對于醫(yī)療設(shè)備尤其重要，醫(yī)療設(shè)備必須符合 IEC 60601 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)患者、操作人員及其周圍環(huán)境1。由于其簡單性，1-Wire器件在醫(yī)療領(lǐng)域越來越受歡迎，可提供傳感器和耗材2的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及認(rèn)證。?

典型1線主電路

構(gòu)建1-Wire主機(jī)有多種方法。最適合隔離的是連接到微控制器或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的單向端口的電路，該端口用作主機(jī)處理器。附件可以像帶有上拉電阻的晶體管或單片協(xié)議轉(zhuǎn)換器一樣簡單。雖然在嵌入式應(yīng)用中非常受歡迎且具有成本效益，但當(dāng)需要隔離時(shí)，連接到雙向端口的電路不太理想。添加隔離需要將雙向總線拆分為正向路徑和反向路徑。為了防止從站響應(yīng)零時(shí)后向路徑鎖存正向路徑，要么需要在主機(jī)端接受毛刺，要么引入第二個(gè)低電平，該電平對于主機(jī)來說足夠低，但太高而無法導(dǎo)致鎖存。

本節(jié)中討論的電路設(shè)計(jì)用于具有數(shù)字輸入和輸出的隔離器，這是新型隔離器產(chǎn)品的典型特征。低成本光隔離器的輸入通常是發(fā)光二極管（LED）的陰極，晶體管的集電極開路用作輸出。為了與低成本光隔離器配合使用，需要對電路進(jìn)行相應(yīng)的修改（例如，通過在輸入路徑中插入限流電阻，并使用施密特觸發(fā)器/逆變器在輸出端執(zhí)行信號調(diào)理）。

單向端口電路

圖1中的電路是一個(gè)簡單的端口引腳連接到微控制器或作為主機(jī)處理器的FPGA。添加了隔離器 U1 和 U2。U1 隔離正向路徑和后向路徑。U2（如果已安裝）允許激活Q2，以便向1-Wire從機(jī)提供額外的功率（“強(qiáng)上拉”）。除非隔離器增加100ns或更長的延遲，否則該電路適用于標(biāo)準(zhǔn)和過驅(qū)1-Wire速度。

圖1.采用微控制器或FPGA作為主機(jī)處理器的隔離式1-Wire主控電路。

圖2中的電路使用集成的RX/TX協(xié)議轉(zhuǎn)換器。添加了隔離器U1，用于隔離正向路徑和后向路徑。所有時(shí)間關(guān)鍵型操作均由串行至1-Wire線路驅(qū)動(dòng)器（如DS2480B）控制，最大數(shù)據(jù)速率限制為115.2kbps （8.68μs/bit）。因此，無論1-Wire速度如何，只要隔離器增加的信號延遲不超過1μs，就不是重要的。DS2480B的部分成本在為U1選擇低成本光隔離器并相應(yīng)地修改電路時(shí)可以收回。

圖2.帶有RX/TX協(xié)議轉(zhuǎn)換器的隔離式1-Wire主控電路。

雙向端口電路

圖3中的電路是一個(gè)簡單的端口引腳連接到微控制器或作為主機(jī)處理器的FPGA。與圖1相比，通信端口是雙向的。增加了隔離器U1和U2、總線緩沖器U3、漏極開路驅(qū)動(dòng)器U4以及電阻R2、R3和R4。U3的下部將PIOA的雙向數(shù)據(jù)路徑分為正向路徑（U3的TY到U1的IN）和后向路徑（U1的OUT到U3的RY）。同相驅(qū)動(dòng)器U4將正向和反向路徑連接到雙向1-Wire總線。U3 的上部（SX 到 TX）將 PIOB 連接到 U2 的輸入（正向路徑）。不使用向后路徑（RX 到 SX）。U2（如果已安裝）允許激活Q2，以便向1-Wire從機(jī)提供額外的功率（“強(qiáng)上拉”）。請注意，總線緩沖器U3引入了明顯的往返延遲（2 × ~250ns）。雖然在標(biāo)準(zhǔn)1-Wire速度下可以容忍，但在超速行駛時(shí)建議謹(jǐn)慎。P82B96專為I2C應(yīng)用而設(shè)計(jì)。主機(jī)側(cè)的電壓電平（SY、PIOA）與I2C器件兼容，但對于1-Wire從機(jī)和集成式1-Wire主機(jī)來說，低電平過高。在考慮此電路之前，請驗(yàn)證 V 是否歐勒馬克斯在 SY 與 V 兼容ILMAX在PIOA。PCA9600是P82B96的升級版;它具有一半的傳播延遲和略微降低的V歐勒馬克斯水平，但消耗更多電量。通常，圖4中的電路是更好的選擇。

圖3.具有雙向主機(jī)處理器端口的隔離式1-Wire主電路。

圖4所示電路采用集成I2C至1-Wire協(xié)議轉(zhuǎn)換器。增加了隔離器U1和U2、總線緩沖器U3、漏極開路驅(qū)動(dòng)器U4以及電阻R1、R2和RP3。U3的下部將雙向SDA路徑分為正向路徑（U3的TY到U1的IN）和后向路徑（U1的OUT到U3的RY）。同相驅(qū)動(dòng)器U4將正向和后向路徑連接到雙向隔離SDA。由于1-Wire主機(jī)U5不使用時(shí)鐘延伸，因此SCL路徑（Sx至U3的TX和U2的IN）是單向的。因此，允許將U2的推挽輸出直接連接到協(xié)議轉(zhuǎn)換器的SCL。所有時(shí)間關(guān)鍵型操作均由1-Wire主機(jī)控制，該主機(jī)支持高達(dá)400kHz的I2C時(shí)鐘速率。因此，總線緩沖器和隔離器增加的信號延遲并不重要。由于總線緩沖器已經(jīng)增加了2×~250ns，因此隔離器需要相當(dāng)快，例如，每個(gè)方向的最大50ns。由于需求旺盛，I2C模塊將總線緩沖器、隔離器和驅(qū)動(dòng)器集成在單個(gè)SOIC封裝中。

圖4.隔離式1-Wire主控電路，內(nèi)置I2C協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

隔離技術(shù)

經(jīng)典的隔離裝置是變壓器，它仍然用于電源。變壓器在相當(dāng)有限的頻率范圍內(nèi)工作良好。它們不能處理非常低的頻率，因?yàn)?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)需要它們。早期的光隔離器由手電筒燈泡和光相關(guān)電阻器（LDR）等簡單光源構(gòu)成，填補(bǔ)了這一空白。隨著 1970 年代 LED 的出現(xiàn)，出現(xiàn)了新一代更快的光隔離器，其工作頻率從直流電到每秒數(shù)千個(gè)脈沖。此后的技術(shù)進(jìn)步改進(jìn)了光隔離器，現(xiàn)在可以處理每秒超過1000萬比特的數(shù)據(jù)速率。變壓器的小型化和芯片級的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了新型隔離器的速度，甚至更快。電容耦合在早期是不可行的，現(xiàn)在部署在一種新型隔離器中，該隔離器在小型SOIC封裝中包含RF發(fā)射器和接收器。

在下面的討論中，針對每種技術(shù)，確定了一家主要供應(yīng)商。在可能的情況下，本文將介紹一款適用于2.5kV隔離的單通道和雙通道器件，該器件適用于各供應(yīng)商的1-Wire過驅(qū)速度。該信息最初于2011年8月根據(jù)制造商數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記匯編而成。除了技術(shù)挑戰(zhàn)之外，任何影響安全的事情都需要遵守特定國家/地區(qū)的法規(guī)。 安華高隔離電路監(jiān)管指南3很好地介紹了這一問題。所有隔離器數(shù)據(jù)手冊都列出了產(chǎn)品符合的證書。

經(jīng)常（但并非總是）與安全相關(guān)的術(shù)語是“故障安全”。結(jié)合隔離器器件，一般的理解是，如果隔離器的輸入沒有電源，則“故障安全”與隔離器輸出的狀態(tài)有關(guān)。請務(wù)必查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以了解詳細(xì)信息，并使用樣品驗(yàn)證電路的行為。來自同一供應(yīng)商的產(chǎn)品可能表現(xiàn)出不同的行為。在某些情況下，可以選擇輸入側(cè)沒有電源的器件，輸出為高電平或低電平，具體取決于應(yīng)用中的最佳效果。

光隔離（安華高科技）

基于LED和光電晶體管的光隔離器一直主導(dǎo)著市場，直到2000年代初引入競爭技術(shù)。表 1 顯示了安華高 ACPL-077L 和 ACSL-7210 光隔離器的特征參數(shù)（前身為安捷倫，惠普分拆公司）。盡管光隔離器種類繁多，包括其他制造商的光隔離器，但很少有光隔離器具有真正的數(shù)字邏輯輸入和輸出，需要符合本文圖1至圖4中提供的原理圖。

根據(jù)其工作方式，LED消耗的電流取決于邏輯狀態(tài)也就不足為奇了。由于LED的光輸出會隨著時(shí)間的推移而變差，因此應(yīng)在LED關(guān)閉的情況下選擇空閑狀態(tài)，這樣可以最大程度地減少電流消耗并延長使用壽命。與其他技術(shù)相比，光隔離器需要相當(dāng)高的工作電流。

芯片級變壓器（ADI公司）

2001年，ADI公司推出了i耦合器器件，這是一種基于集成在半導(dǎo)體襯底上的芯片級微變壓器的隔離器。輸入端的邏輯轉(zhuǎn)換導(dǎo)致窄（~1ns）電流脈沖通過變壓器發(fā)送到解碼器。雙穩(wěn)態(tài)解碼器由脈沖設(shè)置或復(fù)位，指示輸入邏輯轉(zhuǎn)換。在輸入端沒有超過~1μs的邏輯轉(zhuǎn)換的情況下，正確的輸出狀態(tài)是通過一組周期性的刷新脈沖來實(shí)現(xiàn)的，這些脈沖指示輸入狀態(tài)。?

表2顯示了ADuM3100A和ADuM3201B的特性參數(shù)。電流消耗遠(yuǎn)低于光隔離器，并且不依賴于輸入的邏輯狀態(tài)。一些iCoupler器件包括DC-DC轉(zhuǎn)換器（iso電源技術(shù)），為另一側(cè)提供隔離電源。特別方便的是I2C模塊ADuM1250和ADuM1251，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個(gè)封裝中。?

巨磁阻技術(shù)（NVE株式會社）

2002年，NVE公司推出了IsoLoop數(shù)字隔離器。輸入端看起來與i耦合器相同，但接收器端不同。輸入端的邏輯轉(zhuǎn)換通過平面線圈轉(zhuǎn)換為窄（~2.5ns）電流脈沖，在GMR惠斯通電橋周圍產(chǎn)生磁場。根據(jù)磁場的方向，電橋使輸出比較器根據(jù)輸入信號的變化進(jìn)行切換。一個(gè)內(nèi)部刷新時(shí)鐘可確保輸入和輸出在超過上電門限的電源電壓的 9μs 內(nèi)同步。安華高HCPL-90xx/09xx系列使用相同的技術(shù)。?

表 3 顯示了 IL510 和 IL514 的特性參數(shù)。電流消耗與芯片級變壓器產(chǎn)品相當(dāng)。IL51x系列的隔離器不應(yīng)與舊的IL71x系列產(chǎn)品混淆，后者沒有內(nèi)部刷新功能。

電容隔離（硅實(shí)驗(yàn)室）

硅實(shí)驗(yàn)室的ISOpro數(shù)字隔離器與光隔離器非常相似。它們使用打開或關(guān)閉的RF載波代替光，具體取決于輸入信號。當(dāng)輸入狀態(tài)為高電平時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生一個(gè)RF載波，該載波穿過電容隔離柵傳播到接收器。如果檢測到足夠的帶內(nèi)載波能量，接收器在其輸出端置位邏輯高電平。當(dāng)輸入狀態(tài)為低電平時(shí)，發(fā)射器被禁用，并且不存在載波。因此，接收器未檢測到帶內(nèi)載波能量，并將輸出驅(qū)動(dòng)為低電平。

表4顯示了Si8410AB和Si8422AB的特性參數(shù)。電流消耗非常低，但與光隔離器一樣，取決于輸入信號的狀態(tài)。默認(rèn)輸出狀態(tài)（當(dāng)輸入端沒有電源時(shí)）是固定的（高電平或低電平）或排序選項(xiàng)。特別方便的是I2C模塊Si8400AB和Si8401AB，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個(gè)封裝中。

電容隔離（德州儀器）

與Silicon Laboratories相比，德州儀器的數(shù)字隔離器使用2路徑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過RF將輸入信號傳輸?shù)捷敵鰝?cè)，從而以不同的方式處理慢速和快速信號。快速信號路徑不編碼，在單端至差分轉(zhuǎn)換后跨勢壘傳輸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。慢信號路徑首先以脈寬調(diào)制（PWM）格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后進(jìn)行差分傳輸，確保穩(wěn)態(tài)條件下的精確通信。在隔離柵的另一側(cè)，差分比較器接收邏輯轉(zhuǎn)換信息，然后相應(yīng)地設(shè)置或復(fù)位觸發(fā)器和輸出電路。定期更新脈沖穿過柵線發(fā)送，以確保輸出的直流電平正確。如果超過4μs未接收到此直流刷新脈沖，則假定輸入未上電或未被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并且故障安全電路將輸出驅(qū)動(dòng)至默認(rèn)狀態(tài)。

表 5 顯示了 ISO721 和 ISO7221C 的特性參數(shù)。工作電流相當(dāng)高，與光隔離器相當(dāng)，但與輸入狀態(tài)無關(guān)。默認(rèn)輸出狀態(tài)（當(dāng)輸入沒有電源時(shí)）為高電平。特別方便的是I2C模塊ISO1540和ISO1541，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個(gè)封裝中。

結(jié)論

本文將介紹采用多家供應(yīng)商數(shù)字隔離器的具有電氣隔離功能的1-Wire主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最適合隔離的是使用單獨(dú)的單向端口進(jìn)行1-Wire通信的主機(jī)處理器。1-Wire通信信號可以直接在軟件控制下創(chuàng)建，也可以通過RX/TX轉(zhuǎn)1-Wire轉(zhuǎn)換器芯片創(chuàng)建。雙向端口需要將信號分成正向和反向路徑，然后通過單獨(dú)的隔離器進(jìn)行路由。得益于單封裝I2C隔離模塊和I2C-1-Wire協(xié)議轉(zhuǎn)換器芯片，帶I2C端口的主機(jī)處理器是一種可行的替代方案。

審核編輯：郭婷