數(shù)字隔離器保護(hù)RS-232、RS-485和CAN總線

在工業(yè)過(guò)程控制、電源調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等應(yīng)用中，串行通信總線通過(guò)各種類(lèi)型的物理網(wǎng)絡(luò)（如 RS-232、RS-485 和控制器局域網(wǎng) （CAN））傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)互連系統(tǒng)通常都有自己的電源，并且系統(tǒng)通常相隔很遠(yuǎn)，因此通常需要電流隔離來(lái)斷開(kāi)接地環(huán)路，保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，減少信號(hào)失真，以及人身安全。

隔離

變壓器、耦合電容器、光耦合器（以及現(xiàn)在的耦合器）是提供電流隔離的典型方法，可阻止電流在兩點(diǎn)之間流動(dòng)，同時(shí)允許數(shù)據(jù)暢通無(wú)阻（圖 1）。隔離用于防止由線路浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流，這可能發(fā)生在任何具有多個(gè)接地路徑的系統(tǒng)中。由長(zhǎng)電纜隔開(kāi)的系統(tǒng)接地將不具有相同的電位，因此接地電流將在兩個(gè)系統(tǒng)之間流動(dòng)。如果不進(jìn)行隔離，這種電流可能會(huì)引入噪聲，降低測(cè)量質(zhì)量，甚至破壞系統(tǒng)組件。

圖1.電流隔離允許信息流，但阻止電流流動(dòng)。

在工業(yè)環(huán)境中，通過(guò)電機(jī)的開(kāi)關(guān)、靜電放電 （ESD） 或附近的雷擊感應(yīng)耦合到長(zhǎng)電纜中的電流會(huì)導(dǎo)致接地電位的快速變化，通常高達(dá)數(shù)百或數(shù)千伏。發(fā)生這種情況時(shí)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)預(yù)期的邏輯電平開(kāi)關(guān)信號(hào)將疊加在相對(duì)于其本地接地的高電壓上。如果不進(jìn)行隔離，該電壓可能會(huì)破壞信號(hào)或損壞系統(tǒng)。將所有連接到總線的設(shè)備連接到單個(gè)接地將保護(hù)系統(tǒng)免受這種破壞性能量的影響，隔離設(shè)備將防止接地回路和電涌。

為了完全隔離系統(tǒng)，必須隔離所有信號(hào)線和電源。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供電源隔離，而i耦合器數(shù)字隔離器可提供信號(hào)隔離。

i耦合器技術(shù)

i耦合器隔離器是基于芯片級(jí)變壓器的磁耦合器（圖 2），與光耦合器中使用的 LED 和光電二極管相比。平面變壓器使用CMOS金屬層，加上放置在鈍化頂部的金層。金層下方的高擊穿聚酰亞胺層將頂部變壓器線圈與底部隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供每個(gè)變壓器與其外部信號(hào)之間的接口。晶圓級(jí)處理提供了一種在單個(gè)封裝中集成多個(gè)隔離通道以及其他半導(dǎo)體功能的低成本方法。i耦合器技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定電流傳輸比、非線性傳遞函數(shù)和漂移（隨時(shí)間和溫度的變化）;降低高達(dá)90%的功耗;并且無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。

圖2.i耦合器橫截面。

變壓器初級(jí)側(cè)的電路將輸入邏輯轉(zhuǎn)換編碼為1 ns脈沖，然后通過(guò)變壓器耦合;副邊的電路檢測(cè)它們并重新創(chuàng)建輸入信號(hào)，如圖3所示。輸入側(cè)的刷新電路可確保輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)匹配，即使不存在輸入轉(zhuǎn)換也是如此。這在上電情況下以及具有低數(shù)據(jù)速率或恒定直流輸入的輸入波形中非常重要。

圖3.數(shù)字輸入在i耦合器的輸出端重新創(chuàng)建。

由于i耦合器產(chǎn)品的目的是將輸入與輸出隔離，因此變壓器一側(cè)的電路必須包含在與變壓器第二側(cè)電路分開(kāi)的芯片上。變壓器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三個(gè)芯片上，如圖140所示的ADuM4x所示。整個(gè)芯片組組裝在標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝中，類(lèi)似于用于各種半導(dǎo)體器件的封裝。

圖4.ADuM140x 4通道隔離器結(jié)構(gòu)

i耦合器器件的一個(gè)新穎特性是它們能夠在同一封裝中組合發(fā)射和接收通道。i耦合變壓器本質(zhì)上是雙向的，因此只要變壓器的每一側(cè)都有適當(dāng)?shù)碾娐罚盘?hào)就可以沿任一方向傳遞。通過(guò)這種方式，多通道隔離器具有多種發(fā)送/接收通道配置。

串行通信總線

RS-232 （EIA232） 和 RS-485 （EIA/TIA485） 規(guī)范僅定義物理層，允許用戶定義信號(hào)協(xié)議，或由指定其在物理層中使用的其他標(biāo)準(zhǔn)定義。另一方面，CAN總線定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

RS-232：RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是最受歡迎的串行通信總線之一，最初于1962年指定用于計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的通信。仍然被廣泛用作系統(tǒng)間通信鏈路，其簡(jiǎn)單性、靈活性和長(zhǎng)期的成功使用歷史是其持續(xù)流行的原因。它專(zhuān)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)，使用兩條帶有接地參考信號(hào)的專(zhuān)用非平衡單端線路提供全雙工通信。

數(shù)據(jù)速率限制為 20 kbps，低壓變化時(shí)為 64 kbps。最大實(shí)際電纜長(zhǎng)度受 16-pF 最大負(fù)載電容和 2500 kohm 至 3 kohm 負(fù)載阻抗的限制在 7 米左右。RS-232為邏輯5提供–15 V至–1 V的驅(qū)動(dòng)器輸出電平，邏輯5的驅(qū)動(dòng)器輸出電平為+15 V至+0 V，邏輯3的接收器輸入電平為–15 V至–1 V，邏輯3的接收器輸入電平為+15 V至+0 V。–3 V至+3 V之間的電壓未定義。寬電壓擺幅和未定義區(qū)域確保了高水平的抗噪性，并允許通過(guò)長(zhǎng)電纜接收有效的信號(hào)電平。

RS-232規(guī)范定義了具有25條信號(hào)線的20引腳D連接器的引腳排列，但具有9條信號(hào)線的5引腳連接器（如圖232所示）更為常見(jiàn)。每個(gè)方向使用一條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;其余線路指定用于通信協(xié)議。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，RS-25只需三條線即可實(shí)現(xiàn)：Tx（發(fā)送數(shù)據(jù)），Rx（接收數(shù)據(jù)）和GND（接地）。用于設(shè)備安全的保護(hù)接地在 <> 針連接器中定義。此線路通常連接到電源接地或機(jī)箱接地，不應(yīng)連接到信號(hào)接地或從系統(tǒng)連接到系統(tǒng)。

圖5.8 信號(hào) RS-232 網(wǎng)絡(luò)配置。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為兩類(lèi)：DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）和DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）。這些名稱是其計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器遺產(chǎn)的遺產(chǎn);這些術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在只是定義哪些線路作為輸入連接，哪些線路作為輸出連接。

RS-232通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)系統(tǒng)和總線之間的隔離至關(guān)重要。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們?cè)谑瞻l(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。收發(fā)器的系統(tǒng)側(cè)通常使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平連接到通用異步接收器/發(fā)射器（UART）或處理器。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此可以在UART和收發(fā)器之間放置一個(gè)，作為將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)單方法。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1402 i耦合器數(shù)字隔離器、ADM232L RS-232收發(fā)器和隔離電源（如圖6所示）的組合消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護(hù)。

圖6.5 信號(hào)隔離 RS-232 電路（DTE 側(cè)圖示）。

RS-485：RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可驅(qū)動(dòng)多達(dá)32對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器。它的多功能性和驅(qū)動(dòng) 4000 米電纜的能力使其在廣泛的應(yīng)用中很受歡迎，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離互連系統(tǒng)。小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）和PROFIBUS協(xié)議都使用RS-485進(jìn)行通信。

可用電纜長(zhǎng)度取決于數(shù)據(jù)速度要求，速度/長(zhǎng)度組合范圍從 200 米處的 1200 kbps 到 12 米處的 100 Mbps。使用平衡差分信號(hào)，RS-485驅(qū)動(dòng)器通過(guò)兩條輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過(guò)比較兩個(gè)信號(hào)來(lái)確定邏輯狀態(tài);大于200 mV的差值可提供有效的邏輯電平。驅(qū)動(dòng)器和接收器中的差分放大器在信號(hào)線之間引導(dǎo)電流。與RS-232等單端方案相比，這提供了高水平的抗噪性。

使能功能允許驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài);因此，多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以共享一條總線而不會(huì)發(fā)生爭(zhēng)用。軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，使除一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序之外的所有驅(qū)動(dòng)程序始終處于非活動(dòng)狀態(tài)，并允許多達(dá) 32 個(gè)驅(qū)動(dòng)程序共享線路。半雙工、2線雙向配置如圖7所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，所有驅(qū)動(dòng)器和接收器共享同一根 2 線雙絞線電纜。雖然這簡(jiǎn)化了安裝并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4線全雙工配置（使用一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)）更復(fù)雜，但提供更高的數(shù)據(jù)速率。

圖7.2線、多點(diǎn)、半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)。

由于RS-485通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)系統(tǒng)和總線之間的隔離至關(guān)重要。與RS-232一樣，數(shù)字隔離器不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們?cè)谑瞻l(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到本地總線或處理器。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)是將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)單方法。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301 i耦合器數(shù)字隔離器和圖8所示的隔離電源的組合消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護(hù)。

圖8.隔離式RS-485電路。

圖9所示為單芯片隔離式RS-2486收發(fā)器ADM485。

圖9.ADM2486隔離式RS-485收發(fā)器。

CAN總線：CAN總線標(biāo)準(zhǔn)最初是為汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，規(guī)定了2線串行通信協(xié)議，允許高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率，多達(dá)30個(gè)節(jié)點(diǎn)和40米的最大電纜長(zhǎng)度。它在幀中傳輸異步數(shù)據(jù)，幀由開(kāi)始位和停止位、仲裁字段、控制字段、循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 字段和應(yīng)答字段組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)偵聽(tīng)和傳輸，因此該協(xié)議最重要的功能之一是其非破壞性位仲裁，可確保不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每條消息的開(kāi)頭傳輸一個(gè)主導(dǎo)消息開(kāi)始 （SOM） 位。其他節(jié)點(diǎn)將看到此活動(dòng)，并且在消息完成之前不會(huì)嘗試啟動(dòng)傳輸。接下來(lái)，傳輸 11 位或 29 位仲裁字段。此字段也稱為標(biāo)識(shí)符，用于確定總線上發(fā)送的消息的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)始終控制總線，而將優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)留待等待。這種非破壞性仲裁可確保最高優(yōu)先級(jí)的消息始終通過(guò)。

CAN總線如圖10所示，使用平衡的2線差分接口，通常工作在3 V或5 V。 采用非歸零（NRZ）編碼，確保緊湊的消息具有最少的轉(zhuǎn)換次數(shù)和高抗噪性。CAN總線收發(fā)器使用一對(duì)漏極開(kāi)路器件產(chǎn)生CANH差分信號(hào)（V抄送– 0.9 V） 至 CANL （1.5 V）。當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生主導(dǎo)信號(hào)，這表示邏輯低電平。當(dāng)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)發(fā)射器時(shí)，上拉電阻將總線設(shè)置為V抄送/2，產(chǎn)生隱性信號(hào)，表示邏輯高電平。待機(jī)控制將收發(fā)器置于低功耗模式。低功耗接收器在待機(jī)模式下保持活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)控總線的狀態(tài)變化，并在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)向控制器發(fā)出激活本地節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。

圖 10.CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

與RS-232和RS-485一樣，數(shù)字隔離器不支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;而是使用標(biāo)準(zhǔn) 3V 或 5V 邏輯電平在收發(fā)器和本地 CAN 控制器之間使用它們。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此將系統(tǒng)與電纜隔離的一種簡(jiǎn)單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。i耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源的組合（如圖11所示）消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護(hù)。

圖 11.隔離的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

更多關(guān)于i耦合器

基于i耦合器技術(shù)的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面可與光耦合器相媲美。我耦合器器件是獨(dú)立的，除了通常的旁路電容器外，不需要額外的組件;它們通常更快，具有更高的數(shù)據(jù)速率（至 100 Mbps）和更短的傳播延遲（18 ns）;其功耗（從5 mW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同類(lèi)光耦合器的1/70至1/5，相鄰元件的發(fā)熱可以忽略不計(jì);它們可以以與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS相同的方式使用;它們可以在更高的溫度下工作——傳播延遲基本上對(duì)溫度不敏感;而且它們的使用壽命更長(zhǎng)，沒(méi)有 LED 磨損。它們具有與高質(zhì)量光耦合器類(lèi)似的安全認(rèn)證。目前可用的i耦合器器件的絕緣額定值為2.5 kV rms（400 V rms穩(wěn)態(tài)），未來(lái)改進(jìn)的前景優(yōu)于50%。

全面披露

由于模擬對(duì)話不是食譜，這些示例基本上說(shuō)明了如何在網(wǎng)絡(luò)通信中使用耦合器技術(shù);它們不是經(jīng)過(guò)測(cè)試的應(yīng)用程序的詳細(xì)原理圖。

審核編輯：郭婷