單線串行總線測量設備隔離傳感接口介紹

醫療和工業應用經常為了病人和設備操作員的人身安全要求隔離電壓達到2500Vac或更高。該隔離屏障不僅要把電源傳輸到傳感器件上，而且還要傳送往來于該器件上的數據。

　　每一個穿越隔離屏障的數據信號都要求隔離。因此，在這些應用中，設計者可以通過選用串行總線而不是并行總線來節約成本。串行總線包括SPI、I2C和Dallas單線串行總線。

　　Dallas單線總線只需要一根數據線(外加地線)來進行雙向通訊。由于光隔離器是單向器件，典型的單線傳輸需要兩個光耦，數據流的每個方向上各用一個(而SPI和I2C總線則至少需要三個光耦)。

　　該單線串行總線不僅允許傳輸雙向數據流，而且還可以寄生電源模式傳遞電源。用一個隔離的變換器來為傳感器件供電。這樣，絕大多數的設計需要兩個光耦用于數據接口：一個光耦用于反饋到隔離的電源上，而一個變壓器用于電源隔離。

　　該電路如圖所示，電路中僅用了一個隔離變壓器驅動器(U1)和一個單光耦(U3)，把用于隔離的器件數減到了最少，而同時又保持了雙線抽頭設計。

　　U1提供隔離的和虛調節的電源，并能夠使主控臺把數據傳送到隔離接口另一側的單線串口設備上。而接收通道上的單光隔離器使得主控臺能夠接收來自單線串口設備上的隔離數據。

　　注意下列的觀察結果：在引腳VISOI處(原理圖的右上角)，由U1和變壓器T1產生的電壓約為4.0V。D1和D2實現變壓器次級的半橋式整流。

　　在U1中，將FS和VCC連接起來，使得器件的開關頻率為額定的860kHz。電容器C2對輸出進行濾波，使輸出電平保持在正半周期。R1用來對C2進行放電。

　　通過利用Dallas單線串行總線，接口電路能提供主控臺微控制器和傳感元件之間的隔離和雙向通訊。

　　主控臺微控制器通過控制U1的SD端的通斷來向單線串口設備發送數據。當不發送數據時，通常U1工作并向單線串口設備供電，對單線設備表示為邏輯高電平。此時引腳VISOL處的電壓約為4.0V。

　　進行通訊時，主控臺施加一個復位脈沖將SD置高電平，關斷U1。由于U1的關斷，VISOL處的電壓降低到單線串口設備的邏輯低電平。合理選擇R1、R2、R3和C2的值，使得VISOI在大約5μs內降到邏輯低電平門限(0.8V)以下。(R1=R2=1.00kΩ, R3=2.00kΩ, C2=4.7nF將產生測試起始值，而終值則取決于所選擇的光耦。)當U1工作時，合理選取上述四個數值，使得VISOI不能低于單線串口設備的邏輯高電平門限(2.4V)。

　　當主控臺接收來自單線串口設備的數據時，光耦(U3)被VISOI電平或單線串口設備的數據端(DQ)調節。當U1工作時, U3中的LED點亮。這將強置Rx為低電平。當單線串口設備將DQ拉到低電平時，LED熄滅，而Rx變為高電平。而U1關斷時，Rx變為高電平，導致VISOI降低而熄滅LED。(微控制器上的Tx和Rx邏輯與單線串口設備上的邏輯相反。)

　　這樣，由一個光耦、一個變壓器和一個Dallas單線串行線就構成了一個位于主控制臺和精密的單線串口測溫設備之間的隔離傳感接口。在保持連接和器件成本最低的同時，該電路支持醫療和工業中的高壓應用場合。