如果必須隔離也連接到PC的設備，則USB接口是自然的選擇。USB廣泛的行業支持和簡單的結構（USB電纜中只有四根線）使其成為流行的PC接口。使用SPI接口連接到嵌入式系統的USB控制器易于電氣隔離。SPI接口可以以任何速度運行，由簡單的單向信號組成。

介紹

通用串行總線 （USB） 已成為將外圍設備連接到個人計算機的標準方式。如果您需要對要連接到PC的設備進行電氣隔離，USB是一種自然的連接接口，因為它具有廣泛的行業支持。兩個明顯的隔離應用是醫療和工業，前者將基于 PC 的儀器連接到患者身上，后者可能發生較大的電源軌偏移。

USB 信令基礎知識

USB 以三種速度運行：

低速，1.5Mbps

全速，12Mbps

高速，480Mbps

本文討論全速 （12Mbps） USB 連接的光隔離。12Mbps器件以足夠的帶寬工作，用于有用的數據傳輸，并采用的數據速率對于使用廉價光耦合器的設計來說是可管理的。

USB連接器包含四根導線：兩根用于供電（VBUS和GND），兩根用于移動USB數據（D+和D-）。VBUS導線提供5伏電源，最高可達500毫安。D+和D-信號是雙向的，以12Mbps（每比特單元83ns）的信令速率工作。D+和D-信號電壓為3.3V。

USB 隔離挑戰

圖1.有三種可能的接口可以隔離 USB 外設：站點 1，USB 總線本身;站點2，收發器接口;和站點 3，應用程序界面。在大多數當前設計中，SIE和收發器是集成的，使得接口（2）無法訪問。

USB外設是使用圖1所示的框圖構建的。從右到左考慮這個數字，USB收發器連接到D+和D-線，并在OE（輸出使能）控制引腳的控制下驅動或接收數據。中間模塊是USB串行接口引擎（SIE），將總線信號（由收發器看到和發送）轉換為數據字節和USB信號，供實現USB外設的應用使用。最左邊的模塊是應用電路，可能是微處理器、ASIC 或數字信號處理器 （DSP）。

標記為 1、2 和 3 的灰色矩形顯示了放置光耦合器的三個可能位置，以將 USB 設備與主機電氣隔離。

圖2.此示波器跡線顯示數據包開頭的 USB D+ 和 D- 信號（圖 1 中的站點 1）。83ns的位時間和緊密匹配的上升/下降時間使得難以通過光隔離器保持信號保真度。D+和D-是雙向的，使隔離進一步復雜化。

站點 1

在USB總線線上光隔離不切實際有幾個原因，如圖2所示：

信號速率為12MHz，對于高性價比隔離器來說太高了。

D+和D-信號必須仔細匹配傳播延遲和偏斜，這是光隔離器難以實現的。

情況更加復雜，因為總線是雙向的，但隔離器是單向的。此外，在集成收發器的外設中，OE信號（指示方向）無法訪問。

站點 2

使用外部收發器的 USB 外設公開收發器接口。因此，可以考慮將這些單向信號用于光隔離。然而，該站點存在與站點1相同的問題：數據速率太高，并且確實有更多的信號以12MHz運行需要隔離。VPO、VMO、RCV、VPI 和 VMI 都以 12MHz 速率運行，需要仔細匹配延遲和偏斜。此外，在將SIE和收發器集成在同一芯片中的現代USB設計中，很少可以訪問此接口。

站點 3

這是最有希望進行隔離的地方。該接口的運行速度可以比USB數據和線速慢，并且該接口可以完全由單向信號構建。事實上，理想的接口將使用少量單向信號，其工作速率遠低于USB 12MHz信號速率。

滿足這些要求的理想接口是SPI（串行外設接口），最初由摩托羅拉定義，現在在許多半導體類型中廣泛使用。SPI由于其簡單性和性能而是一個非常流行的接口。

SPI 信令基礎知識

表1顯示了四個SPI接口信號。SPI是一個主從接口，其中主站發起并向單個從機執行事務。主機提供從選擇（SS#）信號和串行時鐘（SCLK）以同步數據傳輸。SPI接口有四種時鐘模式，反映兩種模式信號，稱為CPOL（時鐘極性）和CPHA（時鐘相位）。這些信號以（CPOL，CPHA）的形式表示。

圖3顯示了微處理器和SPI從器件之間的SPI數據傳輸。圖 3 使用最常見的 SPI 模式 （0，0）。在模式（0，0）下，時鐘處于低電平處于非活動狀態，SPI主機在第一個SCLK正邊沿之前提供MOSI數據。SPI數據在SCLK下降沿上發生變化，并在主器件和從器件的上升沿上采樣。

圖3.在模式 （0，0） 下運行的 SPI 接口。如果 SCLK 信號設為低電平有效（靜態為高電平），則同一接口可以在模式 （1，1） 下工作。這些低頻信號易于光學隔離。

SPI接口易于在任何微處理器上實現，即使是不包含硬件SPI單元的微處理器。只需四個通用 IO （GPIO） 引腳即可構建圖 3 信號，以及通過直接切換 IO 引腳來讀取和寫入字節的子程序。

圖4顯示了當USB外設控制器使用SPI接口時，SPI和USB之間的數據速率差異。在此圖中，控制微處理器用作USB鍵盤，并定期閃爍LED。圖5中的SPI流量表示一次LED閃爍（切換輸出位）;USB 流量是請求鍵盤數據的 USB 主機。

這兩種總線之間的數據速率差異是巨大的。顯然，較低頻率的單向SPI信號比12MHz雙向USB總線信號更容易隔離。使用SPI信號，隔離解決方案變得非常簡單，可以定制為在任何頻率下運行，以適應光隔離器的特性。

圖4.SPI數據速率與USB信令速率的比較。SPI信號便于通過光耦合器傳輸。

產生圖4的系統如何協調操作USB控制器的SPI總線與USB信號速率之間的數據速率差異？USB的優點之一是它是“自節流”的，內置流量控制。它通過使用稱為“NAK”（否定確認）的握手來完成對數據流的控制，外圍設備告訴請求數據的主機它尚未準備好數據，主機應稍后重試。

SPI 數據速率和 USB NAK

圖5.USB 總線跟蹤顯示外設響應主機輸入數據請求的速度較慢。主機請求數據包 362-364 中的數據。外設已準備好數據包420中的數據。中間的 IN-NAK 數據包演示了 USB 流控制。外設使用 NAK 進行響應，直到準備好數據。

圖 5 顯示了 USB 流控制機制的實際應用。從數據包 362 開始，主機發出請求。數據包09倒數第二個字節中的363表示主機從外設請求9個字節的數據。外設確認收到數據包 364 中的請求，然后忙于解碼請求并將請求的數據加載到其端點 0 數據 FIFO 中。慢速外設需要一些時間來響應此請求，相對較慢的SPI總線速度進一步增加了響應時間。Get_Descriptor-Configuration

在 988.667 微秒之后（數據包 364 之后），主機開始在數據包 366 中請求請求的數據。外圍設備還沒有數據，因此 USB 硬件會自動響應 NAK 握手，指示“我正忙，請稍后再試”。主機在數據包 368 中再次嘗試，并從外圍設備獲得相同的 NAK 應答。此 IN-NAK 進程一直持續到數據包 419，此時外設最終加載了請求的數據并為其端點零武裝以進行數據傳輸。現在，外設不是 NAK，而是使用數據包 9 中的 420 字節數據包進行響應，主機在數據包 421 中確認該數據包。

IN-NAK對（圖5中的虛線矩形）可以出現任意次數，這意味著SPI接口的運行速率沒有下限。這允許設計人員微調SPI數據速率，以適應光耦合器的選擇，從而實現實用且經濟高效的設計。

隔離式 USB 設計示例

圖6.隔離式 USB 設計的示意圖。左側由USB總線本身供電，右側使用隔離電源。在SPI接口上提供隔離使設計變得簡單，并且不受嚴格的USB總線時序的影響。

圖6是圍繞廉價微處理器構建的電路：Atmel? AtTiny13 （U6）、HCPL-2531光耦合器 （U3-5） 和 MAX3420E （U1），MAX6E （U1）是一種USB外設控制器，具有與其寄存器組的SPI接口。盡管U6不包含硬件SPI單元，但SPI接口可以通過“位敲擊”一些GPIO引腳輕松管理。U1 提供 2 個通用輸入和 1 個通用輸出引腳，以替換（并添加到）U1 用于實現 SPI 接口的引腳。此設計使用兩個輸出引腳驅動 LED 指示燈 D6 和 D<>，并使用一個輸入引腳連接按鈕 PB<>。由于U<>包含自己的IO引腳，由SPI接口控制，因此這些IO本質上與U<>隔離，不需要單獨隔離。

圖7.隔離接口兩側的SPI SCLK信號。頂部：ISOVCC = 8.3V，ISOGND = 5V.底部：由 USB 供電：VCC = 3.3V，GND = 0V。

圖7顯示了隔離接口兩側SCLK信號的示波器走線。兩條跟蹤的基線設置在屏幕底部。頂部跡線顯示由U6生成的SCLK信號，但偏移了5V。

圖8.SCK隔離（頂部）和MAX342E（底部），示為擴展刻度。

圖8是圖7的擴展標度版本，展示了光耦合器的性能。光耦合器的吞吐延遲約為0.5μs，本設計選擇電阻值。中心的短 SCLK 脈沖由驅動 SCLK IO 引腳的 U6 代碼的一部分產生。U6 代碼的這一部分如圖 9 所示。

圖9.AtTiny13匯編代碼讀取MAX3420E寄存器。SPI接口時序可以在這里進行微調，以提供光耦合器的成本/性能權衡。

就在標簽之前，SCK信號被驅動為低電平，然后立即再次被驅動為高電平。（和 是匯編宏，無需更改代碼即可輕松為特定電路板布局分配 IO 引腳。

通過在這兩個語句之間插入一些NOP指令，可以延長圖8中的窄脈沖，從而為使用速度較慢（即成本較低）的光耦合器創造可能性。此過程說明了SPI接口為光隔離應用提供的靈活性。

結論

由于USB數據信號的高速、雙向特性和嚴格的匹配要求，電氣隔離USB一直是一個挑戰。如果隔離 USB 控制器和應用處理器之間的接口（圖 3 中的站點 1），隔離問題將變得更加簡單，因為此接口可以以任何速率運行。Site 3的較低信令速率使其非常適合低成本光耦合器解決方案。與任何隔離設計一樣，需要隔離的線路越少，越能節省成本。SPI接口是隔離的理想候選者，因為它僅使用四個低速單向信號。由于MAX3420E使用簡單的SPI接口連接到任何控制器，因此為嵌入式系統添加USB功能提供了理想的方法，并具有提供簡單隔離方案的額外優勢。MAX3421E也可以用于隔離式USB主機應用，MAX3420E既可以用作外設，也可以用作主機，使用與MAX<>E相同的SPI接口。

審核編輯：郭婷