使用數(shù)字隔離器簡化醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的USB隔離

目前在辦公室和家庭中使用的標(biāo)準(zhǔn)信息處理設(shè)備——個人電腦（PC），使用通用串行總線（USB）與大多數(shù)外設(shè)進行通訊。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)接口。這些標(biāo)準(zhǔn)是從最早的大型計算機繼承而來的。另一個可用的通訊標(biāo)準(zhǔn)RS-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RS-232，成為個人電腦及其外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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?jǐn)?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(dāng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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RS-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(biāo)準(zhǔn)RS-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150Mbps，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。