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使用数字隔离器简化医疗和工业应用中的USB隔离

2011-01-04 11:57
小鱼时代
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  目前在办公室和家庭中使用的标准信息处理设备——个人电脑(PC),使用通用串行总线(USB)与大多数外设进行通讯。标准化、低成本及软件和开发工具的支持已使个人电脑成为医疗和工业应用很具吸引力的主处理器平台,但这些增长中的市场对安全性和可靠性要求(特别是在电气隔离方面)与一直以来推动个人电脑发展的办公室环境有很大不同。

  早期的个人电脑以串行和并行端口作为与外部世界连接的标准接口。这些标准是从最早的大型计算机继承而来的。另一个可用的通讯标准RS-232接口,虽然速度慢,但因为可简单地实现所需要的鲁棒隔离,很适合医疗和工业环境。由于得到广泛使用并有良好的支持,人们容忍了其速度低和点对点的缺点。

  USB接口已取代RS-232,成为个人电脑及其外设的标准端口,其特性几乎在所有方面都远远优于较老的串行端口。然而,对于要求隔离的医疗和工业应用,由于实现隔离的难度大且成本高,USB一直主要用作诊断端口和临时连接。

  本文讨论了对USB实现隔离的各种方法。值得特别介绍的是,ADI公司现提供了一个新的可选方案——ADuM41601 USB隔离器。这一突破性产品可简单廉价地实现外设隔离(特别是D+和D-线的隔离),提高了USB在医疗和工业应用中的使用价值。

  关于通用串行总线

  USB是个人电脑的首选串行接口。该接口得到所有常用的商业操作系统的支持,且允许硬件和驱动器热插拔。一台主机可以集中星型方式连接多达127个设备。许多数据传输模式可处理存储设备的大批量数据传输、流媒体的同步传输以及时间关键型数据的中断驱动型传输(如鼠标移动)等各类传输。USB以三种数据传输速率运行:低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。该规范创建后强化了消费应用,这些应用要求连接必须简单且具有鲁棒性,由控制器和物理层信令来解决复杂性的问题。

  USB物理层只包含4条线:两条向外设提供5V电源和地,另外两条(D+和D-)构成可传递差分数据的双绞线对(图1)。这些线也可传递单端数据以及用无源电阻实现的空闲状态。当设备连接到总线上时,无源电阻结构中的电流对传输速度进行协商,并建立无驱动的空闲状态。数据被组织成数据帧或数据包,每帧可以包含时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有效载荷及包尾序列。

  

  图1. USB的标准组成。

  串行接口引擎(SIE)在电缆的两端对这个复杂的数据结构进行控制,这个专用控制器(或作为更大控制器的一部分)实现USB协议,通常内置USB收发器硬件。当某个外设首次连接到电缆上时,SIE在 枚举,2 期间向宿主计算机提供外设的配置信息和功率要求。在运行期间,SIE把所有数据按照要求的传输类型格式化,并提供错误检查和自动故障处理。SIE处理总线上的所有控制流,并按需要使能和禁用线驱动器和接收器。主机启动所有的处理业务,然后按明确规定的数据序列在主机和外设之间交换数据,包括数据损坏和出现其它故障的情况。SIE可以内建在微处理器中,因此它可能只有D+和D-线与外设相连。实现这个总线的隔离面临几个挑战:

  隔离器几乎总是单向器件,而D+和D-线是双向的。

  SIE不提供确定数据传输方向的外部方式。

  隔离器必须与无源电阻的上拉和下拉功能兼容,即与隔离阻障两侧的电路匹配。

  隔离USB的典型方法主要是设法回避上述挑战。

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