0  引言

　　USB 通用串行總線（英文：Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱USB）是連接外部裝置的一個(gè)串口匯流排標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)上使用廣泛，但也可以用在機(jī)頂盒和游戲機(jī)上，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)On-The-Go（ OTG）使其能夠用于在便攜裝置之間直接交換資料。

　　USB是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口可用于連接多達(dá)127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤等。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個(gè)人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7版本以后，USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為3.0版本。

　　USB接口已取代RS-232，成為個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于較老的串行端口。然而，對(duì)于要求隔離的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，由于實(shí)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(shí)連接。

　　本文討論了對(duì)USB實(shí)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(gè)新的可選方案——ADuM41601 USB隔離器。這一突破性產(chǎn)品可簡(jiǎn)單廉價(jià)地實(shí)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(jià)值。

1  關(guān)于通用串行總線

　　USB是個(gè)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(dòng)器熱插拔。一臺(tái)主機(jī)可以集中星型方式連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可處理存儲(chǔ)設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸、流媒體的同步傳輸以及時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的中斷驅(qū)動(dòng)型傳輸（如鼠標(biāo)移動(dòng)）等各類傳輸。USB以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運(yùn)行：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。

　　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(duì)（圖1）。這些線也可傳遞單端數(shù)據(jù)以及用無(wú)源電阻實(shí)現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備連接到總線上時(shí)，無(wú)源電阻結(jié)構(gòu)中的電流對(duì)傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無(wú)驅(qū)動(dòng)的空閑狀態(tài)。

　　圖1. USB的標(biāo)準(zhǔn)組成。

　　串行接口引擎（SIE）在電纜的兩端對(duì)這個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，這個(gè)專用控制器（或作為更大控制器的一部分）實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議，通常內(nèi)置USB收發(fā)器硬件。當(dāng)某個(gè)外設(shè)首次連接到電纜上時(shí)，SIE在 枚舉，2 期間向宿主計(jì)算機(jī)提供外設(shè)的配置信息和功率要求。在運(yùn)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(cuò)誤檢查和自動(dòng)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(dòng)器和接收器。

　　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(shí)現(xiàn)的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢(shì)，所實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)可熱插拔的串行端口。除非該適配器是永久連在這個(gè)外設(shè)上，否則這將是維修人員的噩夢(mèng)。

　　圖2. 通過(guò)RS-232隔離。

　　第二種方法：使用帶有易隔離接口的獨(dú)立SIE（圖3）。市場(chǎng)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(duì)SPI總線實(shí)現(xiàn)完全隔離。SIE將與USB主機(jī)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(shí)，SIE會(huì)通知主機(jī)如果有更多的數(shù)據(jù)需要傳送則重試，并留出時(shí)間使SPI接口可為下一個(gè)傳輸循環(huán)重新填充緩存。

　　圖3. 通過(guò)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(duì)微處理器和收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)和控制線進(jìn)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。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(yuǎn)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。

　　圖4. 隔離的外部USB收發(fā)器。

　　第四種方法：直接在D+和D-線線中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現(xiàn)有的USB應(yīng)用中添加D+/D-隔離，而無(wú)需重寫驅(qū)動(dòng)程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但是，D+和D-線的隔離較為復(fù)雜，因?yàn)楦綦x器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。

　　圖5. 隔離D+/D-線。

　　新型芯片級(jí)器件ADuM4160 USB隔離器解決了這些挑戰(zhàn)性難題（圖6），它支持低速和全速USB的D+和D-線直接隔離。

　　圖6. ADuM4160的框圖。

　　ADI公司的iCoupler? 技術(shù)3 特別適合于構(gòu)建USB隔離器。在開(kāi)發(fā)USB隔離器時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)是正確確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，以及何時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器以讓總線處在空閑狀態(tài)。USB數(shù)據(jù)的面向數(shù)據(jù)包特性使我們可以使用一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定數(shù)據(jù)方向，免去了整個(gè)SIE的開(kāi)銷。當(dāng)總線空閑時(shí)，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅(qū)動(dòng)總線。

　　ADuM4160監(jiān)視總線的上游和下游部分，等待來(lái)自任何方向的躍遷信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到躍遷信號(hào)時(shí)，則對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼并傳過(guò)隔離阻障。這些數(shù)據(jù)被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅(qū)動(dòng)器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開(kāi)始，由于數(shù)據(jù)流的方向已得到確認(rèn)，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)收到數(shù)據(jù)，隔離器就沿相同的方向繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)USB數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)，ADuM4160傳輸特殊的數(shù)據(jù)——包尾序列。包尾序列包含非差分信號(hào)，而非差分信號(hào)不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ADuM4160可以區(qū)分有效數(shù)據(jù)和包尾標(biāo)識(shí)。包尾標(biāo)識(shí)通知總線返回空閑狀態(tài)。

　　隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側(cè)支持一個(gè)獨(dú)立的USB總線段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當(dāng)在總線上有某個(gè)設(shè)備需要進(jìn)入初始化序列（稱為枚舉）時(shí)，上拉電阻發(fā)出信號(hào)。知道外設(shè)的工作速度以及何時(shí)應(yīng)連接上拉電阻，使枚舉過(guò)程以受控的方式啟動(dòng)。有幾個(gè)因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設(shè)計(jì)保證對(duì)所有給定的電源組合給出可預(yù)測(cè)的操作。

　　該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設(shè)僅需一個(gè)電源。ADuM4160還具有良好的ESD保護(hù)能力，通常允許在連接器的D+和D-引腳沒(méi)有外部保護(hù)電路的情況下熱插拔。

　　ADuM4160可按以下三種方式之一使用：

　　安裝在外設(shè)中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個(gè)配置為基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了電源和控制配置（圖7）。

　　可用來(lái)隔離集線器以及集線器所有的下游外設(shè)（圖8）。

　　可用于隔離電纜（圖9）。

　　下面的示例給出了ADuM4160在這些應(yīng)用中的連接方法。

　　在外設(shè)應(yīng)用中（圖7），外設(shè)有自己的電源，幾乎不需要從USB電纜獲得能量——只需約10毫瓦來(lái)驅(qū)動(dòng)該隔離器的上游側(cè)和上拉電阻。由于外設(shè)以單一速度運(yùn)行，該隔離器按期望的速度（全速或低速）設(shè)置以硬連線方式與外設(shè)連接。如果外設(shè)端口具有高速性能，那么，它在枚舉期間發(fā)送高速的“chirp”信號(hào)。這通常會(huì)啟動(dòng)速度協(xié)商以實(shí)現(xiàn)高速操作，但ADuM4160會(huì)阻斷“chirp”信號(hào)并自動(dòng)迫使高速外設(shè)運(yùn)行在全速模式。

　　圖7. 隔離的外設(shè)端口。

　　在作為集線器隔離器使用時(shí)，ADuM4160把集線器作為外設(shè)來(lái)對(duì)待（圖8）。ADuM4160設(shè)置為全速，其它部分與上面討論的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)類似。在ADuM4160的chirp功能干預(yù)下，集線器被迫以全速運(yùn)行。

　　圖8. 隔離的集線器。

　　驅(qū)動(dòng)隔離的USB電纜（圖9）需使用DC/DC轉(zhuǎn)換器為下游端口和電纜供電。為了滿足USB規(guī)范的要求，電纜的下游部分必須向外設(shè)的上拉電路提供5V電源?？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用于提供這個(gè)電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設(shè)備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower?器件的使用方法4 。在這個(gè)應(yīng)用中，ADuM4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。

　　圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

2  結(jié)束語(yǔ)

　　USB已融入我們的生活。ADI公司具有突破性的ADuM4160隔離器可在USB應(yīng)用中簡(jiǎn)單而廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)外設(shè)隔離，進(jìn)而使USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出診斷端口和臨時(shí)連接的范圍。著重于在D+/D–線中提供隔離，ADuM4160極大地簡(jiǎn)化了隔離的實(shí)現(xiàn)。它支持全速和低速運(yùn)行，可滿足眾多應(yīng)用的帶寬要求。

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