嵌入式系統(tǒng)接口隔離技術(shù)及其設(shè)計(jì)

　　3．2 隔離技術(shù)在CAN總線中的應(yīng)用

　　CAN(控制區(qū)域網(wǎng))屬于串行通信總線，適用于強(qiáng)健的實(shí)時控制應(yīng)用，因此在工業(yè)、交通、控制、測量領(lǐng)域有極廣泛的應(yīng)用。如果單個CAN-bus節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會導(dǎo)致總線通信不良，甚至因?yàn)槭瞻l(fā)器電路而破壞整個CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。尤其CAN總線的工作場合經(jīng)常十分惡劣，在第1節(jié)中提及的任何不利因素均有可能出現(xiàn)在CAN-bus中，所以CAN-bus接地、隔離及瞬態(tài)保護(hù)是十分必要的。

　　在以往的設(shè)計(jì)中，一般可以采用2個高速光耦(6N137)實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，1個電源隔離模塊(+5 V轉(zhuǎn)+5 V)實(shí)現(xiàn)電源上的隔離，還需要計(jì)算電阻值的大小以搭建出合理的收發(fā)器隔離電路。需要注意的是，僅有高速光電耦合器，卻沒有電源上的隔離，此時的隔離將失去意義。由于這種方式存在著體積偏大、成本偏高的缺點(diǎn)，建議采用電容耦合技術(shù)或磁耦隔離技術(shù)。隔離型CAN-bus節(jié)點(diǎn)一般是由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)字隔離器件組成，具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)類似圖3所示。但需要注意的是，隔離措施是加在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間的，同時需要在CAN-bus總線上加總線保護(hù)器件。

　　CAN-bus的隔離原理與RS485／RS422相似，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理也相同，只是電器規(guī)定上有所不同。隔離器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品，隔離電壓為2 500 VRMS；也可以選用TI公司的1072xx數(shù)字隔離器，隔離電壓為4 000 V RMS。但是都需要隔離型DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號和電源的相互隔離。如果選用ADI公司的集成隔離電源(如 ADuM524x)，則需要考慮電源的驅(qū)動能力。如果需要更加簡化電路設(shè)計(jì)，可以選用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的CTM系列模塊，該系列是集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護(hù)于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，同時也要考慮T系列的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動問題。

　　所有符合CAN2．O規(guī)范的節(jié)點(diǎn)可以連接在一起，構(gòu)成一個直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的兩個終端各需要安裝一個120 Ω的終端電阻。如果選用屏蔽電纜線可以將屏蔽層單點(diǎn)接大地(不能形成環(huán)路)，也可以將屏蔽層通過耐高壓的電阻、電容單點(diǎn)接數(shù)字隔離器件的地引腳。

　　3．3 隔離技術(shù)在信號傳感器中的應(yīng)用

　　許多硬件設(shè)計(jì)任務(wù)主要圍繞如下方面展開：數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、輸入和輸出信號調(diào)理、輸入／輸出模塊的電氣連線、控制器之間以及模塊之間的隔離問題。各種傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號都傳送到一個中央控制器，進(jìn)行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，同時防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實(shí)現(xiàn)電流隔離。對于傳感器信號隔離，傳統(tǒng)的模擬隔離方案(如隔離放大器AD202)成本太高，可以采用數(shù)字隔離方案——AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本，如圖5所示。

　　數(shù)字隔離器用來將系統(tǒng)現(xiàn)場的ADC、DAC和信號調(diào)理電路與數(shù)字端的微處理器隔離開來。其中，需要隔離型DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)微處理器的信號線和電源線與ADC／DAC的信號和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI公司的iCoupler產(chǎn)品或TI公司的IO72xx數(shù)字隔離器。在滿足應(yīng)用需要的前提下，可以選用ADI公司集成3 750 V電壓隔離的ADC(AD7400)來減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

　　在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)端向現(xiàn)場端提供隔離的電源是另一個要面對的挑戰(zhàn)，而在這方面也涌現(xiàn)了新的解決方案。傳統(tǒng)上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術(shù)包括使用單獨(dú)的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設(shè)計(jì)及接口均較困難的分立器件。目前，一種更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案。這種方案可以通過微變壓器實(shí)現(xiàn)跨越隔離點(diǎn)的信號和電源傳輸，其供電能力達(dá)50 mw。例如isoPower系列產(chǎn)品ADuM524x可以提供高達(dá)2 500 V的信號和電源隔離度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統(tǒng)的總成本，減小了電路板面積，縮短了設(shè)計(jì)時間。

　　4 瞬態(tài)保護(hù)

　　在實(shí)際工程使用中，使用了上述數(shù)字隔離方案的系統(tǒng)可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內(nèi)部的破壞性傳播。但是盡管數(shù)字隔離器件以內(nèi)的電路系統(tǒng)沒有損壞，可是接口電路在有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線路板焦糊的現(xiàn)象，雖然不至于影響整個系統(tǒng)的安全性，但也造成極大的不便。

　　出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路，噪聲電壓只出現(xiàn)在隔離層上而非接收機(jī)或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經(jīng)過強(qiáng)烈能量的考驗(yàn)。圖4提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，而對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了，因?yàn)橐€電感的作用對高頻瞬態(tài)干擾來講接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓但持續(xù)時間很短，在切換大功率感性負(fù)載(電機(jī)、變壓器、繼電器)，閃電等過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會損壞接口。

　　對于這種瞬態(tài)干擾，可以采取瞬態(tài)抑制方法加以防護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中采用兩級防護(hù)措施：使用3個90 V陶瓷放電管(3RM090L-8)(可承受10／700 μs，10／700μs為通信線路中感應(yīng)出的雷擊電壓波形，表示從零值上升至峰值的時間為10 ms，下降至峰值一半的時間為700μs，8 000V雷擊測試)進(jìn)行共模防護(hù)、差模防護(hù)，此時過電壓被大大削弱到500 V左右；再經(jīng)過PTC(可以采用100～200mA、耐壓250 V以上的自恢復(fù)保險絲K250-120U)或10Ω左右的電阻限流。TVS瞬態(tài)抑制二極管的選擇可以根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

　　結(jié) 語

　　由于本單位的交通戶外設(shè)備大多數(shù)工作于惡劣環(huán)境，在雷雨多發(fā)期間或由于施工不當(dāng)(管線分類或接地不合適)經(jīng)常造成通信的可靠性下降，在采取本文設(shè)計(jì)的隔離、接地方案后，可靠性有了極大的提高。該方案適合任何需要隔離保護(hù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)槿魏胃呖煽啃缘牟灏涡徒涌诙夹枰懈綦x保護(hù)。