USB實現(xiàn)隔離的四種方法分析

目前在辦公室和家庭中使用的標準信息處理設(shè)備—個人電腦 （PC），使用通用串行總線（U S B） 與大多數(shù)外設(shè)進行通訊。標準化、低成本 及軟件和開發(fā)工具的支持已使個人電腦成為醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用很具吸引力的主處理器平臺，但這些增長中的市場對安全性和可靠性要求 （特別是在電氣隔離方面）與一直以來推動個人電腦發(fā)展的辦公室環(huán)境有很大不同。

早期的個人電腦以串行和并行端口作為與外部世界連接的標準接口。這些標準是從最早的大型計算機繼承而來的。另一個可用的通訊標準R S-232 接口，雖然速度慢，但因為可簡單地實現(xiàn)所需要的魯棒隔離，很適合醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境。由于得到廣泛使用并有良好的支持，人們?nèi)萑塘似渌俣鹊秃忘c對點的缺點。

USB接口已取代R S-232，成為個人電腦及其外設(shè)的標準端口，其特性幾乎在所有方面都遠遠優(yōu)于較老的串行端口。然而，對于要求隔離 的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，由于實現(xiàn)隔離的難度大且成本高，USB一直主要用作診斷端口和臨時連接。

本文討論了對USB實現(xiàn)隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現(xiàn)提供了一個新的可選方案— ADuM41601 USB隔離器。這一突破性 產(chǎn)品可簡單廉價地實現(xiàn)外設(shè)隔離（特別是D+和D-線的隔離），提高了USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的使用價值。

關(guān)于通用串行總線

USB是個人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業(yè)操作系統(tǒng)的支持，且允許硬件和驅(qū)動器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127 個設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可處理存儲設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸、流媒體的同步傳輸以及時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的中斷驅(qū)動型傳輸（如鼠標移動）等各類傳輸。 USB以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運行：低速 （1.5Mbps）、全速 （12Mbps） 和高速（480Mbps）。該規(guī)范創(chuàng)建后強化了 消費應(yīng)用，這些應(yīng)用要求連接必須簡單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來解決復(fù)雜性的問題。

USB物理層只包含4條線：兩條向外設(shè)提供5V電源和地，另外兩條（D+和D-）構(gòu)成可傳 遞差分數(shù)據(jù)的雙絞線對（圖1）。這些線也可傳遞 單端數(shù)據(jù)以及用無源電阻實現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當設(shè)備 連接到總線上時，無源電阻結(jié)構(gòu)中的電流對傳輸速度進行協(xié)商，并建立無驅(qū)動的空 閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包，每幀可以包含時鐘同步位、數(shù)據(jù)類型標識符、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)有效載荷及包尾序列。

圖1. USB的標準組成。

串行接口引擎（SIE） 在電纜的兩端對這個復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行控制，這個專用控制器（或作為更大控制器的一部分）實現(xiàn)USB協(xié)議，通常內(nèi)置 USB收發(fā)器硬件。當某個外設(shè)首次連接到電纜上時，SIE在枚舉，2期間向宿主計算機提供外設(shè)的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE 把所有數(shù)據(jù)按照要求的傳輸類型格式化，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，并按需要使能和禁用線驅(qū)動器和接收器。主機 啟動所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規(guī)定的數(shù)據(jù)序列在主機和外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)損壞和出現(xiàn)其它故障的情況。SIE可以內(nèi)建在微處理器中，因此它可能只有 D+和D-線與外設(shè)相連。實現(xiàn)這個總線的隔離面臨幾個挑戰(zhàn)：

* 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(shù)據(jù)傳輸方向的外部方式。

* 隔離器必須與無源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側(cè)的電路匹配。

* 隔離USB的典型方法主要是設(shè)法回避上述挑戰(zhàn)。

第一種方法： 使USB接口與需要隔離的設(shè)備完全分離（圖2）。許多設(shè)備可把其它通用的串行總線與USB連接；圖2中顯示了R S-232與USB 的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能；隔離是在低速串行線中實現(xiàn)的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢，所實現(xiàn)的是一個可熱 插拔的串行端口。接口芯片可通過改變固件來實現(xiàn)定制，以識別外設(shè)，從而允許創(chuàng)建定制的驅(qū)動程序；但每個外設(shè)可能都需要一個定 制的適配器。除非該適配器是永久連在這個外設(shè)上，否則這將是維修人員的噩夢。此外，接口的速度將被限制在標準R S-232的速度，甚 至遠低于低速USB的吞吐量。

圖2.通過RS-232隔離。

第二種方法： 使用帶有易隔離接口的獨立SIE（圖3）。市場上有幾種產(chǎn)品（如SPI）使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數(shù)字隔離器 （如 ADuM1401C 四通道數(shù)字隔離器）可對SPI 總線實現(xiàn)完全隔離。由于SIE包含可通過SPI總線填充的緩沖存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴于USB的速度。SIE將與USB主機協(xié)商其可能的最高 連接速度，并以協(xié)商得出的總線速度分發(fā)數(shù)據(jù)，直到把緩沖中的數(shù)據(jù)傳遞完。此時，SIE會通知主機如果有更多的數(shù)據(jù)需要傳送則重試，并留出時間使 SPI接口可為下一個傳輸循環(huán)重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設(shè)驅(qū)動程序，并忽視內(nèi)置在外設(shè)的微處理器中的 USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。

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(fā)器，則可以對微處理器和收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)和控制線進行隔離（圖4）。但是，這種方式要求在SIE 和收發(fā)器之間有9條單向數(shù)據(jù)線。在高速數(shù)字隔離器中，這將帶來極大的成本問題。此外，現(xiàn)有的速度最快的數(shù)字隔離器工作在約150M b p s，雖然遠高于低速和全速 USB，但不能處理高速數(shù)據(jù)，限制了USB接口的速度范圍。該方案與為微處理器SIE提供的USB驅(qū)動器完全 兼容，可降低開發(fā)成本，但需使用多個隔離通道致使實現(xiàn)成本高昂。此類收發(fā)器接口將被集成度要求日益提高的市場所淘汰。

圖4. 隔離的外部USB收發(fā)器

第四種方法：直接在D+和D-線線中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現(xiàn)有的USB應(yīng)用中添加D+/D-隔離，而無需重寫驅(qū)動程序或增加冗余 SIE，同其它方法相比，這是一個很大的優(yōu)點。但是，D+和D-線的隔離較為復(fù)雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許 在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運行不應(yīng)要求額外的設(shè)備驅(qū)動程序相關(guān)的開銷。

圖5. 隔離D+/D-線。

新型芯片級器件ADuM4160 USB隔離器解決了這些挑戰(zhàn)性難題（圖6），它支持低速和全速USB的D+和D-線直接隔離。

圖6. ADuM4160的框圖。

ADI公司的 iCoupler？ 技術(shù)3 特別適合于構(gòu)建USB隔離器。在開發(fā)USB隔離器時所面臨的主要挑戰(zhàn)是正確確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，以及何時禁 用驅(qū)動器以讓總線處在空閑狀態(tài)。USB數(shù)據(jù)的面向數(shù)據(jù)包特性使我們可以使用一種簡單的方法來確定數(shù)據(jù)方向，免去了整個SIE的開銷。 當總線空閑時，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅(qū)動總線

TA D u M4160監(jiān)視總線的上游和下游部分，等待來自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時，則對信號進行編碼并傳過隔離阻障。這些數(shù)據(jù)被解碼之后， A D u M4160使能輸出驅(qū)動器在電纜的另一段上進行傳輸。從第一次傳送開始，由于數(shù)據(jù)流的方向已得到確認，A D u M4160 將禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)收到數(shù)據(jù)，隔離器就沿相同的方向繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。當USB數(shù)據(jù)包結(jié)束時，A D u M4160傳輸特殊 的數(shù)據(jù)—包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。A D u M4160可以區(qū)分有效數(shù)據(jù)和包尾標識。包尾標識通知總線返回 空閑狀態(tài)。然后，A D u M4160禁用輸出驅(qū)動器，并開始監(jiān)視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?/p>

此外，當發(fā)生總線錯誤時，看門狗定時器將使A D u M4160返回空閑狀態(tài)。A D u M4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是 iCoupler technology技術(shù)的核心能力之一。

隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側(cè)支持一個獨立的USB總線段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當在總線上有某個 設(shè)備需要進入初始化序列（稱為枚舉）時，上拉電阻 發(fā)出信號。知道外設(shè)的工作速度以及何時應(yīng)連接上拉電阻，使枚舉過程以受控的方 式啟動。有幾個因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設(shè)計保證對所有給定的電源組合給出可預(yù)測的操作。有時，如外設(shè)需在開始 USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話，外設(shè)要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側(cè)提供了一個控制引腳以便由外設(shè)來決定何時開始枚舉。

該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設(shè)僅需一個電源。A D u M4160還具有良好的ESD保護能力，通常允許在連接器的D+和D- 引腳沒有外部保護電路的情況下熱插拔。

ADuM4160可按以下三種方式之一使用：：

安裝在外設(shè)中以隔離其上游端口。A D u M4160是以這個配置為基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)計的，該設(shè)計極大地簡化了電源和控制配置（圖7）。

可用來隔離集線器以及集線器所有的下游外設(shè)（圖8）。

可用于隔離電纜（圖9）。

下面的示例給出了ADuM4160在這些應(yīng)用中的連接方法。

在 外設(shè) 應(yīng) 用中（圖 7 ），外設(shè)有自己的電源，幾乎不需要從 USB 電纜獲 得能量—只需約 10 毫瓦來驅(qū)動該隔離器的上游側(cè)和上拉電阻。由于 外設(shè)以單一速度運行，該隔離器按期望的速度（ 全速 或 低速 ）設(shè)置以 硬連線方式與外設(shè)連接。如果外設(shè)端口具有 高速 性 能 ，那 么 ，它 在 枚 舉期間發(fā)送高速的“ chirp ”信號。這通常會啟動速度協(xié)商以實現(xiàn)高速 操 作 ，但 A D u M4160 會阻斷“ chirp ”信號并自動迫使高速外設(shè)運行在 全速模式 。對不帶電源的低功耗外設(shè)，可用隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（如 ADuM5000）給外設(shè)供電，而ADuM4160從USB電纜汲取能量。

圖7. 隔離的外設(shè)端口。

在作為集線器隔離器使用時，ADuM4160把集線器作為外設(shè)來對待（圖8）。A D u M4160設(shè)置為全速，其它部分與上面討論的標準外設(shè)類似。在 A D u M4160的chirp功能干預(yù)下，集線器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線器芯片都可以連接到低速和全 速設(shè)備的各種組合。集線器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動或延遲啟動的方式進行。集線器要求提供的能量通常 高于上游電纜通過隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電的能力。

圖8. 隔離的集線器。

驅(qū)動隔離的USB 電纜（圖9）需使用DC/DC轉(zhuǎn)換器為下游端口和電纜供電。為了滿足USB規(guī)范的要求，電纜的下游部分必須向外設(shè)的上拉電路提供5V電源?？墒褂?ADuM5000等隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用于提供這個電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設(shè)備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower？ 器件.3 這個應(yīng)用中， A D u M4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個USB速度運行，要切換速度模式須重新接線或通過簡單 的開關(guān)以手動方式切換或采用更復(fù)雜的電路，這依賴于末端用戶的需求。

圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

結(jié)束語

USB 已融入我們的生活。 ADI 公司具有突破性的 A D u M4160 隔離器可 在 USB 應(yīng)用中簡單而廉價地實現(xiàn)外設(shè)隔離，進而使 USB 在醫(yī)療和工 業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用遠遠超出診斷端口和臨時連接的范圍。著重于在D+/D– 線中提供隔離， ADuM4160 極大地簡化了隔離的實現(xiàn)。它支持 全速 和 低速 運行，可滿足眾多應(yīng)用的帶寬要求。