個人計算機（PC）目前是辦公室和家庭使用的標準信息處理設備，它使用通用串行總線（USB）與大多數外圍設備進行通信。標準化、成本以及軟件和開發工具的可用性使PC作為醫療和工業應用的主機處理器平臺非常有吸引力，但這些不斷增長的市場的安全性和可靠性要求（特別是在電氣隔離方面）與歷史上推動個人計算機設計的辦公環境大不相同。

在早期，個人計算機提供串行和并行端口作為與外界的標準接口。這些遺留標準是從最早的大型計算機繼承而來的。另一種可用的通信標準RS-232雖然速度很慢，但非常適合醫療和工業環境，因為它可以輕松實現所需的魯棒隔離。它的低速和點對點性質是可以容忍的，因為它是普遍可用的并且得到了很好的支持。

USB已經取代RS-232成為個人計算機及其外圍設備的標準端口，其功能幾乎在各個方面都遠遠優于舊的串行端口。然而，為醫療和工業應用提供必要的隔離既困難又昂貴，因此USB主要用于診斷端口和臨時連接。

本文討論了使用 USB 應用隔離的各種方法。特別是新選項ADuM41601USB隔離器，現在可從ADI公司獲得。這一突破性產品允許簡單、廉價地隔離外圍設備，特別是包括D+和D-線，提高了USB在醫療和工業應用中的實用性。

關于通用串行總線 （USB）

USB 是 PC 的首選串行接口。受所有常見商業操作系統的支持，它支持硬件和驅動程序的動態連接。同一中心輻射型網絡上最多可以存在 127 臺設備。許多數據傳輸模式可以處理從存儲設備的大批量數據傳輸到流媒體的常時等量傳輸，再到時間關鍵型數據（如鼠標移動）的中斷驅動傳輸。USB 以三種數據傳輸速率運行：低速 （1.5 Mbps）、全速 （12 Mbps） 和高速 （480 Mbps）。創建此系統時，強調了消費者應用程序;連接必須簡單而堅固，控制器和物理層信令吸收了復雜性。

USB 物理層僅由四根電線組成：兩根為外圍設備提供 5V 電源和接地;另外兩個 D+ 和 D–形成可以攜帶差分數據的雙絞線（圖 1）。這些線路還可以承載單端數據，以及通過無源電阻實現的空閑狀態。當器件連接到總線時，無源電阻配置中的電流會協商速度，并建立非驅動空閑狀態。數據被組織成數據幀或數據包。每個幀可以包含用于時鐘同步、數據類型標識符、設備地址、數據有效負載和數據包結束序列的位。

圖1.USB 的標準元素。

這種復雜數據結構的控制由串行接口引擎（SIE）在電纜的每一端處理。此專用控制器（或較大控制器的一部分，通常包括 USB 收發器硬件）負責 USB 協議。在枚舉期間，當外圍設備首次連接到電纜時，SIE 會向主機提供配置信息和電源要求。在操作過程中，SIE根據所需的傳輸類型格式化所有數據，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，根據需要啟用和禁用線路驅動器和接收器。主機啟動所有事務，然后遵循主機和外圍設備之間明確定義的數據交換序列，包括數據何時損壞和其他故障情況的規定。SIE可以內置于微處理器中，因此它可能只為外設提供D+和D-線。隔離此總線存在幾個挑戰：

隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線是雙向的。

SIE不提供確定數據傳輸方向的外部方法。

隔離器必須與無源電阻的上拉和下拉功能兼容，使其跨屏障匹配。

隔離USB的典型方法在很大程度上是為了回避上述挑戰。

第一種方法：將USB接口完全移出需要隔離的設備（圖2）。許多設備將通用串行總線連接到 USB;本例顯示了RS-232轉USB接口。SIE 提供通用串行接口功能;隔離在低速串行線路中實現。但是，這種方法并沒有利用USB的優勢。所創建的只是一個可以即時加載的串行端口。接口IC可以通過固件更改進行定制，以識別外設，從而可以創建自定義驅動程序;但是每個外設都需要一個定制的適配器。除非適配器永久固定在外圍設備上，否則這將是一場維修噩夢。此外，接口的速度將限制在標準RS-232的速度，甚至不接近低速USB的吞吐量。

圖2.通過RS-232隔離。

第二種方法：使用具有易于隔離接口的獨立 SIE（圖 3）。市場上有幾種產品使用快速單向接口（如SPI）將SIE連接到微處理器。數字隔離器，如ADuM1401C四通道數字隔離器，可實現SPI總線的完全隔離。SIE包含可由SPI總線填充的緩沖存儲器，因此SPI的工作速度在很大程度上與USB的速度無關。SIE 將與 USB 主機協商以獲得盡可能高的連接速度，并以協商的總線速度分配數據，直到緩沖數據用完。然后，SIE 將告訴主機在需要更多數據時重試，從而允許 SPI 接口有時間在另一個傳輸周期內重新填充緩沖區。雖然非常有效，但這種方案通常需要修改外設驅動程序，以及繞過外設微處理器中內置的現有USB設施。該解決方案在元件和電路板空間方面非常昂貴。

圖3.通過 SPI 接口隔離 SIE。

第三種方法：如果微處理器的SIE使用外部收發器，則可以隔離收發器的數據和控制線（圖4）。但 USB 在 SIE 和收發器之間需要多達 9 條單向數據線。這在高速數字隔離器中是一項巨大的開支。此外，最快的數字隔離器的工作速度約為150 Mbps。雖然比低速和全速USB快得多，但它不能處理高速數據，限制了USB接口的速度范圍。該解決方案與為微處理器的SIE提供的USB驅動器完全兼容，從而降低了開發成本，但所需的許多隔離通道使得實現成本很高。提高集成度的市場趨勢將淘汰這種類型的收發器接口。

圖4.隔離式外部 USB 收發器。

第四種方法：將隔離直接插入D+和D-線（圖5）。這允許將 D+/D– 隔離添加到現有 USB 應用程序中，而無需重寫驅動程序或添加冗余 SIE，這是與其他方法相比的顯著優勢。然而，隔離D+和D-線會使情況復雜化，因為該器件必須能夠像SIE一樣處理控制流，并允許在其隔離柵上應用上拉電阻和速度測定。它還應在不調用其他設備驅動程序開銷的情況下運行。

圖5.隔離 D+/D– 線。

ADuM4160 USB隔離器（圖6）解決了這些挑戰，這是一款新型芯片級器件，支持直接隔離低速和全速USB D+和D-線路。

圖6.ADuM4160原理框圖

ADI公司i耦合器技術?3特別適合構建USB隔離器。開發USB隔離器的主要挑戰是正確確定數據傳輸的方向，以及何時禁用驅動程序以允許空閑總線狀態。USB 數據的面向數據包的特性允許一種確定數據方向的簡單方法，而無需完整 SIE 的開銷。當總線空閑時，上拉和下拉電阻將USB保持在空閑狀態，沒有緩沖器驅動總線。

ADuM4160監控總線的上游和下游段，等待從任一方向的轉換。當檢測到轉換時，它被編碼并跨屏障傳輸。數據被解碼，輸出驅動器被啟用以在其他電纜段上傳輸。從第一次轉換開始，將識別數據流的方向，并禁用反向隔離通道。只要繼續接收數據，隔離器就會繼續沿同一方向傳輸數據。USB 數據包完成后，將傳輸特殊數據，即數據包結束 （EOP） 序列。EOP 包含不應包含在任何數據結構中的非差分信號。隔離器可以將 EOP 標記與有效數據區分開來。這表示總線應返回到空閑狀態。輸出驅動器被禁用，隔離器開始監視其上游和下游輸入以進行下一次轉換，這將為數據傳輸設定下一個方向。

此外，當發生總線錯誤時，看門狗定時器將隔離器返回到空閑狀態。ADuM4160利用基于轉換的隔離方案，這是i耦合器技術的核心功能之一。

隔離器還必須為上拉和下拉電阻提供支持。隔離器的每一側都支持一個獨立的USB總線段，所有偏置電阻都處于空閑狀態。上拉電阻發出信號，表明總線上的新器件需要經過初始化序列，稱為枚舉。知道外設的工作速度和應連接上拉的時間，可以以受控方式開始枚舉。有幾個因素會影響上游上拉電阻的狀態?？捎玫纳闲泻拖掠坞娫措妷嚎梢杂胁煌慕M合。隔離器設計用于在所有指定的可用功率組合中提供可預測的操作。外設有時希望延遲上游上拉電阻的應用，例如，如果它需要在啟動USB枚舉之前完成自己的本地初始化。ADuM4160在器件下游側提供控制引腳，允許外設確定何時進行枚舉。

該器件的其他特性包括能夠采用 5V 或 3.3V 電源供電。因此，外圍設備中只需要一個電源;它可以是任一電壓。ADuM4160還設計有堅固的ESD保護功能，在大多數情況下，無需外部保護電路即可將D+和D-引腳熱插拔到連接器上。

ADuM4160可能以以下三種方式之一使用：

它將安裝在外圍設備中以隔離其上游端口。ADuM4160采用這種配置作為基本應用而設計。它實現了最簡單的電源和控制配置（圖 7）。

它可用于隔離集線器，從而隔離集線器下游的所有外設（圖 8）。

它可用于隔離電纜配置（圖 9）。

下圖顯示了ADuM4160在每種應用中的連接方式。

在外設應用中（圖7），外設有自己的電源，USB電纜幾乎不需要電源——大約10 mW來運行隔離器的上游側和上拉電阻。由于外設以單速工作，隔離器硬連線以達到所需的速度設置，無論是全速還是低速。如果外圍端口恰好具有高速功能，則它會在枚舉期間發送高速“線性調頻”模式。這通常會啟動高速工作的協商，但ADuM4160會阻止線性調頻信號，并自動強制高速外設全速工作。對于沒有自帶電源的低功耗外設，可以使用ADuM5000等隔離式DC-DC轉換器為外設供電，ADuM4160則通過USB電纜供電。

圖7.隔離的外設端口。

ADuM4160用作集線器隔離器（圖8），將集線器視為外設。ADuM4160設置為全速;應用程序的其余部分類似于上面討論的標準外設情況。由于隔離器對其線性調頻功能的干預，集線器將被迫全速運行。集線器IC將允許連接到低速和全速設備的組合，即使隔離器以固定速度運行。集線器為隔離器的下游端口供電，枚舉可以在上電時開始，也可以延遲開始。集線器通常需要比上游電纜通過隔離式DC-DC轉換器提供的功率更多的功率。

圖8.隔離的集線器。

驅動隔離式USB電纜（圖9）需要使用DC-DC轉換器為下游端口和電纜供電。為了滿足 USB 規范的要求，電纜的下游段必須為外圍設備的上拉提供 5V 電源。隔離式DC-DC轉換器（如ADuM5000）可以提供足夠的剩余電量，為具有低功耗要求的下游器件提供電源。圖9顯示了ADuM5000 isoPower器件的使用。?3在此應用中，ADuM4160的硬連線速度引腳變得有些不方便。電纜一次只能以一個 USB 速度運行;根據最終用戶的要求，必須手動、通過簡單的開關或使用更復雜的電路重新布線以切換速度模式。

圖9.隔離電纜接口，包括 isoPower。

結論

USB將繼續存在。ADuM4160是一款突破性的隔離產品，可在USB應用中實現簡單、廉價的外圍設備隔離。反過來，這將增加USB在醫療和工業應用領域的滲透率，遠遠超出診斷端口和臨時連接。ADuM4160專注于在D+/D–線路中提供隔離，因此實現極其簡單。支持全速和低速運行，為各種應用提供了足夠的帶寬。

審核編輯：郭婷