USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫(xiě)，個(gè)人電腦（PC）可以使用USB通過(guò)連接電纜與外設(shè)進(jìn)行通信。但是出于安全考慮，在某些應(yīng)用中需要隔離USB通信或隔斷接地回路。遺憾的是，由于USB連接電纜上的數(shù)據(jù)流是雙向傳輸，所以隔離工作也非易事。這篇文章討論的就是方便易用的USB隔離設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)，并對(duì)比了各種不同的解決方案。“透明的”理想方案是將添加隔離設(shè)備帶給系統(tǒng)的影響降至最低限度，而這樣的解決方案目前已經(jīng)成為可能。

本設(shè)計(jì)實(shí)例主要針對(duì)的是以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行的USB2.0：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文著重探討了12Mbps的全速USB，且實(shí)例中的大部分實(shí)現(xiàn)原理也適用于以其他數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行的USB設(shè)備。

關(guān)于USB

USB大受歡迎的一個(gè)原因是其簡(jiǎn)單的4線接口設(shè)計(jì)，不但可以為外設(shè)供電，還可以在外設(shè)和PC間充當(dāng)串行數(shù)據(jù)鏈路。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的USB(參考文獻(xiàn)1)連接示意圖。VBUS線可以為外設(shè)提供5V電力，GND為接地線，而D+和D-則用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。信號(hào)是雙向半雙工傳輸，意味著數(shù)據(jù)可以在線纜的任意方向流動(dòng)，但是無(wú)論何時(shí)，最多只有一個(gè)發(fā)射器可以有效驅(qū)動(dòng)該線纜。在通信過(guò)程中，USB發(fā)射器驅(qū)動(dòng)差分或單端狀態(tài)信號(hào)到D+和D-線。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)包，其中有特別的信號(hào)序列標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的頭部和尾部。有時(shí)，總線會(huì)處于空閑狀態(tài)，也就意味著沒(méi)有發(fā)射器處于活躍狀態(tài)，此時(shí)與線纜兩端相連的電阻在D+和D-線建立起“空閑”總線狀態(tài)?？臻e狀態(tài)會(huì)促成兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間總線的初始化，并使主機(jī)了解外設(shè)何時(shí)連接或斷開(kāi)以及外設(shè)期望的通信速率（1.5Mbps、12Mbps或480Mbps）。



隔離USB主機(jī)和外設(shè)的方法

現(xiàn)在想象一下對(duì)主機(jī)和外設(shè)進(jìn)行電氣隔離的方法。如參考文獻(xiàn)1中提到的，添加隔離阻障的方法有很多。但是無(wú)論如何都必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。信號(hào)是高速運(yùn)行還是雙向運(yùn)行要取決于隔離阻障的具體添加位置，增加了從具體零部件中構(gòu)建隔離阻障的難度。這樣一來(lái)，隔離過(guò)程需要使用到更多的材料，而且也很難發(fā)現(xiàn)完全符合信號(hào)要求的分離組件。

圖2a給出的是一種可能的隔離方法，其中虛線表示對(duì)USB線纜的概念分割。有關(guān)D+和D-線的信息可以穿過(guò)隔離阻障，但是電流不可以。在這種情況下，接地端1（上游側(cè)接地基準(zhǔn)）是獨(dú)立于接地端2（下游側(cè)接地基準(zhǔn)）的一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)。不幸的是，這種隔離方法使主機(jī)無(wú)法“看到”下游側(cè)上拉電阻，且外設(shè)也無(wú)法“看到”上游側(cè)下拉電阻。因此，正如圖2b所示，這種隔離方法需要一些額外的電阻來(lái)模擬其相對(duì)物穿過(guò)隔離阻障的連接方式。在這一“透明”隔離概念中，主機(jī)與外設(shè)之間的通信與圖1非隔離USB連接的運(yùn)行原理類(lèi)似。透明的USB隔離器組件簡(jiǎn)單地插入到某個(gè)收發(fā)器與USB線纜之間，還有一個(gè)隔離電源。最初為非隔離應(yīng)用設(shè)計(jì)的主機(jī)和外設(shè)可以輕松地連接到USB隔離器上，無(wú)需重大更改即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)的交互。

假如可以真正實(shí)現(xiàn)，這種方法還是極具吸引力的，但是真正實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要面臨各種挑戰(zhàn)。舉例來(lái)說(shuō)，獨(dú)立式光耦合器或者數(shù)字隔離器一般不支持USB兼容驅(qū)動(dòng)特性，也不支持雙向半雙工通信。此外，很多光耦合器無(wú)法以12Mbps或更快的速度運(yùn)行，且傳播延遲較長(zhǎng)并存在定時(shí)誤差，這些都不符合USB2.0的定時(shí)要求。還有一些問(wèn)題會(huì)在后面講述。

現(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)移一下注意力，考慮一下不透明的替代選擇，比如參考文獻(xiàn)1中描述的那些。這些方案不再對(duì)USB線纜平分隔離，而是把隔離阻障放置到主機(jī)或外設(shè)的硬件中—可以放置在USB收發(fā)器與串行接口引擎（SIE）之間，或者串行接口引擎與USB控制器之間。這樣就可以將單向數(shù)字邏輯信號(hào)與獨(dú)立式通用隔離器分離開(kāi)來(lái)。但是，這樣的方案也存在一些重大缺陷。首先，USB收發(fā)器或控制器硬件必須經(jīng)過(guò)定制，使其能夠容納隔離組件；還可能需要一些額外的微控制器代碼或USB驅(qū)動(dòng)軟件方面的改動(dòng)。所有這些無(wú)疑會(huì)加大系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工作負(fù)擔(dān)。而由于這些方案比較復(fù)雜且需要不同的組件，也會(huì)大大增加所需的板空間。

另外一個(gè)缺陷就是，數(shù)據(jù)傳送需要USB收發(fā)器和單獨(dú)隔離方案的一系列組合，可能會(huì)導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量降低。此外，隔離方案可能會(huì)增加與編解碼成其它串行格式如串行外設(shè)接口（SPI）相關(guān)的延遲或者與隔離組件低速或非精確定時(shí)相關(guān)的延遲。

雖然有這些不足之處，但在過(guò)去難以克服實(shí)現(xiàn)透明USB隔離器的挑戰(zhàn)時(shí)，這些方案是唯一可行的選擇。但是現(xiàn)在，透明的隔離解決方案已成為現(xiàn)實(shí)，本文的后半部分將具體描述一個(gè)完全符合要求的實(shí)例。

透明USB隔離器的要求

USB隔離器系統(tǒng)必須滿(mǎn)足下述要求，才能實(shí)現(xiàn)真正的“透明”操作：

作為標(biāo)準(zhǔn)的USB收發(fā)器，USB隔離器系統(tǒng)必須能夠以同樣的方式驅(qū)動(dòng)UD+、UD-、DD+和DD-，且實(shí)際上應(yīng)包含兩個(gè)USB兼容收發(fā)器，分別位于絕緣阻障的兩端（圖3）。

USB隔離器系統(tǒng)的收發(fā)器必須能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)送和接收信息，以管理USB線纜上的雙向通信，且USB隔離器系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確地復(fù)制所有驅(qū)動(dòng)和空閑狀態(tài)。要想準(zhǔn)確地復(fù)制空閑狀態(tài)，USB隔離器系統(tǒng)必須在上游側(cè)設(shè)置一個(gè)上拉電阻器來(lái)模擬連接至下游側(cè)外設(shè)上的上拉電阻的狀態(tài)。當(dāng)然，也可以在下游側(cè)設(shè)置一些下拉電阻。此外，必須對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)控，識(shí)別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號(hào)，以便能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對(duì)各種狀況。

USB隔離器內(nèi)部的信號(hào)隔離器組件必須能夠穿過(guò)隔離阻障來(lái)回交流D+和D-數(shù)據(jù)。如果信號(hào)隔離器是單向的（因?yàn)橐话闱闆r下都是），USB隔離器系統(tǒng)需要多個(gè)隔離通道，有些負(fù)責(zé)在下游方向傳送數(shù)據(jù)，有些負(fù)責(zé)在相反的上游方向傳送數(shù)據(jù)。

信號(hào)隔離器必須能夠快速運(yùn)行且具備準(zhǔn)確定時(shí)功能，這樣才能滿(mǎn)足USB信令速率與傳播延遲和定時(shí)誤差的要求。

USB隔離器的兩端均應(yīng)支持5V或3.3V電源。如果是5V電源，隔離器應(yīng)能夠衍生出適用于一側(cè)USB收發(fā)器的3.3V穩(wěn)壓電源。如果是3.3V電源，隔離器能夠旁路調(diào)節(jié)器，直接使用該電源為USB收發(fā)器供電。

透明USB隔離器的實(shí)現(xiàn)

美國(guó)ADI公司的ADuM4160 USB數(shù)字隔離器（參考文獻(xiàn)2）符合上述所有要求，并集成在16引腳小型SOIC封裝中。圖3給出的是ADuM4160的框圖。該器件包含一對(duì)USB收發(fā)器，5條iCoupler數(shù)字隔離通道、控制邏輯和兩個(gè)“智能調(diào)節(jié)器”。此外，該器件還包括一個(gè)1.5kΩ的上游側(cè)上拉電阻和數(shù)個(gè)15kΩ的下游側(cè)下拉電阻。

ADuM4160的USB收發(fā)器由一個(gè)簡(jiǎn)化控制器進(jìn)行控制，無(wú)需完全解碼和分析數(shù)據(jù)包即可實(shí)現(xiàn)隔離功能。此外，它還可以監(jiān)控UD+、UD-、DD+和DD-，識(shí)別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號(hào)，從而在忽略數(shù)據(jù)包內(nèi)容的同時(shí)正確地使能或去使能USB收發(fā)器。當(dāng)在下游側(cè)從主機(jī)向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，圖3中上方的兩條隔離通道處于有效狀態(tài)，用作上游側(cè)USB接收器和下游側(cè)USB發(fā)射器。數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-.當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時(shí)，USB隔離器檢測(cè)到尾部序列后就會(huì)去使能所有USB收發(fā)器，使總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。如果接下來(lái)外設(shè)開(kāi)始向上游側(cè)傳輸數(shù)據(jù)包，USB隔離器檢測(cè)到數(shù)據(jù)包頭部序列后就會(huì)使能第三和第四條隔離通道以及上游側(cè)USB發(fā)射器，并將數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-，直到數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束。然后，總線再次進(jìn)入空閑狀態(tài)，所有發(fā)射器也被關(guān)閉，等待新的數(shù)據(jù)傳輸。

ADuM4160使用第五隔離通道來(lái)傳遞下游側(cè)（參考文獻(xiàn)3）控制線路的狀態(tài)信息，從而激活一個(gè)集成于上游側(cè)的上拉電阻，這使得下游端口能夠控制上游端口何時(shí)連接USB總線。該引腳可以連接到外設(shè)上拉電阻、一條控制線路或VDD2引腳，具體取決于何時(shí)執(zhí)行初始總線連接。將該引腳連接到外設(shè)上拉電阻可以使上游側(cè)上拉電阻模擬其狀態(tài)，同時(shí)ADuM4160的下拉電阻可以模擬連接到主機(jī)的下拉電阻的狀態(tài)。所有有效與空閑狀態(tài)均可從隔離阻障的一側(cè)復(fù)制到另一側(cè)。

隔離通道是使用芯片級(jí)變壓器技術(shù)實(shí)現(xiàn)隔離通信的數(shù)字隔離器。每一單個(gè)通道的運(yùn)行速度均超過(guò)100Mbps，可以輕松支持12Mbps的全速USB數(shù)據(jù)傳輸。把所有通道集成到一個(gè)單獨(dú)的芯片上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的嚴(yán)密控制，從而降低定時(shí)誤差，以滿(mǎn)足USB的定時(shí)要求。此外，穿過(guò)ADuM4160的全部傳播延遲相當(dāng)于穿過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB集線器的延遲，且靜態(tài)功耗要低于空閑總線的USB限制值。

智能調(diào)節(jié)器支持上面第5條要求中提到的電源選項(xiàng)，且無(wú)需明確的用戶(hù)控制（參考文獻(xiàn)4）。如要使用5V電源（例如上游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，則要將該5V電源連接到合適的VBUS引腳（如VBUS1）上，且將VDD1設(shè)為斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到電壓是應(yīng)用于VBUS1而非VDD1時(shí)，傳感器會(huì)激活3.3V調(diào)節(jié)器，為VDD1供電。

要想使用3.3V電源（例如下游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，要將3.3V電源與VBUS2和VDD2相連接。當(dāng)傳感器檢測(cè)到兩側(cè)引腳上同時(shí)出現(xiàn)外加電壓時(shí)，就會(huì)去使能片上調(diào)節(jié)器，直接使用外接3.3V電源。

結(jié)論

從概念上講，“透明”USB隔離器是把USB線纜數(shù)一分為二，與原本為非隔離應(yīng)用設(shè)計(jì)的USB硬件一起使用操作起來(lái)非常簡(jiǎn)單。這與在主機(jī)或外設(shè)硬件內(nèi)部放置隔離組件的方案相比形成強(qiáng)烈的反差，因?yàn)槟且环桨感枰M(jìn)行大量的硬件改裝，甚至可能會(huì)降低USB的性能。在使用現(xiàn)有通用隔離器等分離組件的情況下，實(shí)現(xiàn)透明概念的隔離具有很大的挑戰(zhàn)性。然而，最新的集成解決方案如ADuM4160通過(guò)單個(gè)便利封裝克服了上述挑戰(zhàn)，大大簡(jiǎn)化了USB應(yīng)用中添加隔離阻障的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

1. Hauck， Lane，“Isolating USB”， EDN magazine， July 2006.

2. Information on ADuM4160， iCoupler digital isolators， and other

Analog Devices products can be found at www.a na log.com/icoupler.

3. US patent #8432182.

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數(shù)字隔離器大觀，原理，應(yīng)用案例，設(shè)計(jì)技巧，選型要素