使用數字隔離器簡化醫療和工業應用中的USB隔離

目前在辦公室和家庭中使用的標準信息處理設備——個人電腦（PC），使用通用串行總線（USB）與大多數外設進行通訊。標準化、低成本及軟件和開發工具的支持已使個人電腦成為醫療和工業應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展的辦公室環境有很大不同。

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RS-232接口，雖然速度慢，但因為可簡單地實現所需要的魯棒隔離，很適合醫療和工業環境。由于得到廣泛使用并有良好的支持，人們容忍了其速度低和點對點的缺點。

USB接口已取代RS-232，成為個人電腦及其外設的標準端口，其特性幾乎在所有方面都遠遠優于較老的串行端口。然而，對于要求隔離的醫療和工業應用，由于實現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實現隔離的各種方法。值得特別介紹的是，ADI公司現提供了一個新的可選方案——ADuM41601 USB隔離器。這一突破性產品可簡單廉價地實現外設隔離（特別是D+和D-線的隔離），提高了USB在醫療和工業應用中的使用價值。

關于通用串行總線

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操作系統的支持，且允許硬件和驅動器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127個設備。許多數據傳輸模式可處理存儲設備的大批量數據傳輸、流媒體的同步傳輸以及時間關鍵型數據的中斷驅動型傳輸（如鼠標移動）等各類傳輸。USB以三種數據傳輸速率運行：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。該規范創建后強化了消費應用，這些應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雜性的問題。

USB物理層只包含4條線：兩條向外設提供5V電源和地，另外兩條（D+和D-）構成可傳遞差分數據的雙絞線對（圖1）。這些線也可傳遞單端數據以及用無源電阻實現的空閑狀態。當設備連接到總線上時，無源電阻結構中的電流對傳輸速度進行協商，并建立無驅動的空閑狀態。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時鐘同步位、數據類型標識符、設備地址、數據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雜的數據結構進行控制，這個專用控制器（或作為更大控制器的一部分）實現USB協議，通常內置USB收發器硬件。當某個外設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的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE把所有數據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動器和接收器。主機啟動所有的處理業務，然后按明確規定的數據序列在主機和外設之間交換數據，包括數據損壞和出現其它故障的情況。SIE可以內建在微處理器中，因此它可能只有D+和D-線與外設相連。實現這個總線的隔離面臨幾個挑戰：

隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線是雙向的。

SIE不提供確定數據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，即與隔離阻障兩側的電路匹配。

隔離USB的典型方法主要是設法回避上述挑戰。

第一種方法： 使USB接口與需要隔離的設備完全分離（圖2）。許多設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的。但這種方法并不能利用USB的優勢，所實現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定制，以識別外設，從而允許創建定制的驅動程序；但每個外設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）。市場上有幾種產品（如SPI）使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數字隔離器（如ADuM1401C 四通道數字隔離器）可對SPI總線實現完全隔離。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主機協商其可能的最高連接速度，并以協商得出的總線速度分發數據，直到把緩沖中的數據傳遞完。此時，SIE會通知主機如果有更多的數據需要傳送則重試，并留出時間使SPI接口可為下一個傳輸循環重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設驅動程序，并忽視內置在外設的微處理器中的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使用外部收發器，則可以對微處理器和收發器之間的數據和控制線進行隔離（圖4）。但是，這種方式要求在SIE和收發器之間有9條單向數據線。在高速數字隔離器中，這將帶來極大的成本問題。此外，現有的速度最快的數字隔離器工作在約150Mbps，雖然遠高于低速和全速USB，但不能處理高速數據，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驅動器完全兼容，可降低開發成本，但需使用多個隔離通道致使實現成本高昂。此類收發器接口將被集成度要求日益提高的市場所淘汰。