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iCoupler®数字隔离器保护工业、仪器仪表和 计算机应用中的RS-232、RS-485和CAN总线

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作者:Scott Wayne


引言
在工业过程控制、稳压电源和计算机之间点对点通信等应用中,都是采用串行通信总线在各种物理网络上传输数据,例如RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)总线。互连系统中的各子系统通常都有自己的电源,而且往往相距很远,所以通常都需要采用电流隔离不形成接地环路,保护系统免遭瞬态高电压损坏,而且降低了信号失真,也保护了人身安全。

隔离
变压器、耦合电容器、光耦合器以及本文讨论的iCoupler隔离器——都是提供电流隔离的典型方法,它们能阻断两点之间的电流,同时允许数据顺利通过(见图1)。隔离用来保护设备以防由电源浪涌或接地环路引起的高电压或电流,这在任何有多个接地通路的系统中都有可能发生。被长电缆分开的系统地线因为不是处于相等的电为,所以地电流会在这两个系统之间流动。如果不采用隔离,上述电流会引入噪声,降低测量质量,甚至毁坏系统元件。

图1. 电流隔离器允许信息通过而阻止电流通过
图1. 电流隔离器允许信息通过而阻止电流通过

工业环境下发生的因电机开关、静电放电(ESD)或者邻近电弧闪击通过感应方式耦合到长电缆中的电流会引起地电位的快速变化,常常会高达上百甚至上千伏特(kV)。当这种情况出现时,应将远程系统需要的逻辑电平开关信号叠加到相对于其本地的地电位的高电压上。如果没有隔离,此电压可能会破坏信号或者损坏系统。如果将连接到总线上的所有器件都参考同一地线可以保护该系统以防这种破坏性的高电压,而且隔离的器件会防止形成接地环路和电涌。

要完全地隔离系统,必须隔离所有的信号线和电源。带隔离的DC/DC变换器可以提供电源隔离,而iCoupler数字隔离器可以提供信号隔离。

iCoupler技术
iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器(见图2),这是与光耦合器中采用的发光二极管(LED)和光电二极管对比的不同之处。平面变压器采用CMOS金属层,顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本的方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题;功耗降低了90%;并且无需外部驱动器或分立器件。

图2. iCoupler隔离器剖面图
图2. iCoupler隔离器剖面图

变压器初级端的电路将输入逻辑跳变编码成1 ns的脉冲,然后通过变压器对它耦合;次级端电路检测这些经过耦合的脉冲并且恢复输入信号,如图3所示。输入端有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。

图3. 在iCoupler隔离器的输出端恢复数字输入信号
图3. 在iCoupler隔离器的输出端恢复数字输入信号

因为iCoupler产品的目的是将输入和输出隔离开,所以变压器初级端的电路和次级端的电路必须封装在分开的芯片中。变压器本身可以置于上述任何一颗芯片中——或者第三颗芯片中,如图4所示的ADuM140x1。整个芯片组被组装在一个标准的塑料封装中,类似多种半导体器件所采用的封装。

图4.  ADuM140x四通道隔离器结构
图4. ADuM140x四通道隔离器结构

iCoupler器件的一个新特点是其发送通道和接收通道结合在同一封装中的能力。因为iCoupler变压器本质上是双向的,所以只要变压器的两端有适当的电路,信号就可以从任何一个方向通过。按照这种方法,就可以提供具有各种发送通道或接收通道配置的多通道隔离器2

串行通信总线
RS-32(EIA232)和RS(EIA/TIA485)规约只规定了物理层,从而信号协议允许由用户来定义,或者按照规定在物理层使用它们的其它标准来定义。另外,CAN总线规定了物理层和数据链路层。

RS-232总线:RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一,最初制定于1962年,用于计算机和调制解调器之间的通信。它目前仍广泛用作系统间的通信链路,其简易、灵活性以及长期的成功使用决定了它的继续流行。它适合于点对点通信,采用两根具有接地参考信号的专用非平衡的单端线可提供全双工通信。

RS-232的数据速率限制在20 kbps,或者在低电压偏差条件下可以到64 kbps。最大实际电缆长度限于大约16 m,最大容性负栽为2500 pF,负栽阻抗为3 kΩ~7 kΩ。RS-232规定了逻辑1(正逻辑)的驱动器输出电平为-5 V~-15 V,对于逻辑0(负逻辑)则为+5 V~+15 V——对于逻辑1的接收器输入电平为-5 V~-15 V,对于逻辑0则为+5 V~+15 V。对-3 V~+3 V之间的电压没有做规定。宽电压摆幅和未规定的区域确保了高抗噪声能力,并且能从很长的电缆上接收到有效的信号电平。

RS-232规约规定了具有20根信号线的25针D形连接器的引脚排列,但是更常见的是具有8根信号线的9针D形连接器,如图5所示。每个方向都有一根线用于数据传输,其余的线用于通信协议。在最简单的情况下,实现RS-232总线仅使用其中三根线:Tx(发送数据),Rx(接收数据)和GND(地线)。在25针连接器中规定了一个保护地,用于保护设备安全。这根线通常连接至电源地线或者机壳地线,不应该连接到信号地或者从一个系统连接到另外一个系统。

图5.  8信号线RS-232网络配置
图5. 8信号线RS-232网络配置

图6.  5信号线带隔离的RS-232电路(DTE端示意图)
图6. 5信号线带隔离的RS-232电路(DTE端示意图)

RS-232标准将设备分为两大类:DCE(数据通信设备)和DTE(数据终端设备)。这些术语是传统计算机和调制解调器的保留概念,现在这些术语仅仅用来说明连接哪些线用作输入,连接哪些线用作输出。

RS-232通常用于连接多个系统,所以各系统和总线之间的隔离是至关重要的。数字隔离器不支持RS-232标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地系统之间。收发器的系统端通常连接到通用异步收发器(UART)或者处理器,采用0~3 V或者0~5 V的逻辑电平。因为iCoupler隔离器的输入和输出电路彼此是电隔离的,所以将其置于UART和收发器之间,作为隔离系统和电缆的一种简单方法。为了完成这种隔离,通常用一种带隔离的DC/DC变换器给该隔离器和收发器供电。ADuM14023 iCoupler数字隔离器、ADM232L4 RS-232收发器和带隔离的电源的组合用法,如图6所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。

RS-485总线:规定RS-485标准用来驱动多达32对驱动器和接收器。其通用性和驱动长4000 m电缆的能力使得它常用于各种应用,尤其是远距离的系统之间互连。小型计算机系统接口(SCSI)和PROFIBUS协议都采用RS-485标准用于通信。

可用的电缆长度取决于对数据速率的要求,其速度和距离组合可以从1200米对应200 kbps到100米对12 Mbps。RS-485驱动器采用平衡的差分信号,通过两根输出线发送数据。接收器通过比较两个信号确定逻辑状态;如果差分信号电压大于200 mV便可提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器控制信号线间的电流方向。这样就比诸如RS-232单端信号方案提供较高的抗噪声干扰能力。

一个“允许”功能引脚允许驱动器进入一种高阻状态;所以多个驱动器无需连接就可以共享同一总线。其软件协议定义了总线仲裁程序,从而保证总是除了一个驱动器不激活之外全部激活,并且允许多达32个驱动器共享线路。图7示出了一种半双工的2线双向配置。每个结点都包含了一个驱动器和接收器,所有的驱动器和接收器都共享同一2线双绞线电缆。这种方法虽然简化了安装并且降低了成本,但是它限制了最大吞吐率。一种4线全双工配置——采用其中一个结点作为主结点,而另一个作为从结点——虽然比较复杂但能提高数据速率。

图7.  2线多分支半双工RS-485网络
图7. 2线多分支半双工RS-485网络

因为RS-485通常用于连接多个系统,所以各系统和总线之间的隔离非常关键。像使用RS-232一样,数字隔离器不支持RS-485标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地系统之间。收发器的系统端通常连接到本地总线或者处理器。因为iCoupler隔离器的输入和输出电路彼此是电隔离的,所以将其置于处理器和收发器之间是一种隔离系统和电缆的简单方法。为了完成这种隔离,通常使用带隔离的DC/DC变换器给隔离器和收发器供电。ADuM13015 iCoupler数字隔离器和带隔的离电源的组合用法,如图8所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。

图8. 带隔离的RS-485电路
图8. 带隔离的RS-485电路

图9. ADM2486带隔离的RS-485收发器
图9. ADM24866带隔离的RS-485收发器

CAN总线:CAN总线标准,最初是为汽车应用开发的,它规定了一种2线串行通信协议,允许高达1 Mbps的数据速率、多达30个结点和40米的最大电缆长度。它以帧为单位传送异步数据,帧中包括起始位(bit)和停止位、一个仲裁字段、一个控制字段、一个循环冗余校验(CRC)字段和一个确认字段。每个结点都能同时侦听和传送数据,所以该协议最重要的特点之一就是其非破坏性的位序列仲裁,它保证了不会有数据丢失。每个结点在消息开始时发送一个显性消息起始(SOM)位。其它的结点将会看到此动作并且在该消息完成之前都不会启动一次传输。然后,发送11 bit或者29 bit的仲裁字段。该字段也称为标识符,指示总线上所发送消息的优先次序。任何时候都是最高优先级的结点控制总线,让较低优先级的结点等待。这种非破坏性的仲裁确保了最高优先级的消息总能通过。

CAN总线如图10所示,采用一个平衡的2线差分接口,通常工作电压为3 V或5 V。采用不归零(NRZ)编码方式,从而确保了跳变次数最少的密集消息格式和高抗噪声性能。CAN总线收发器采用一对漏极开路的器件来生成CANH(VCC-0.9 V)对CANL(1.5 V)的差分信号。当受到驱动时,发送器就会产生显性信号,它表示逻辑低电平。当没有发送器被驱动时,上拉电阻将总线置总线到VCC/2,从而生成隐性信号,它表示逻辑高电平。待机控制可将收发器置为低功耗模式。在待机模式期间有一个低功耗的接收器仍然保持工作,从而监控总线的状态变化——并且在检测到有激活信号时发送信号给控制器以便激活本地结点。

图10.  CAN总线网络
图10. CAN总线网络

图11. 带隔离的CAN总线网络
图11. 带隔离的CAN总线网络

像使用RS-232和RS-485总线一样,数字隔离器不支持CAN总线标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地CAN控制器之间,采用3 V或5 V的逻辑电平。因为iCoupler隔离器的输入电路和输出电路彼此是电隔离的,隔离系统和电缆的一种简单的方法是将其置于处理器和收发器之间。为了完成这种隔离通常用一种带隔离的DC/DC变换器给该隔离器和收发器供电。。iCoupler数字隔离器和带隔离的电源的组合用法,如图11所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。

关于iCoupler
基于iCoupler工艺的数字隔离器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要优于光耦合器。ICoupler器件是配套齐全的器件,除了常用的旁路电容以外无需外部元件;它们通常以较高的数据速率(达100 Mbps)和较短的传播延迟(18 ns)比较快速地工作;其功耗(从5 mW@1 Mbps~22 mW@25 Mbps)只有同类光耦合器的1/70~1/5,可以忽略不计对相邻元件的发热量;其使用方法与标准的数字CMOS器件一样;它们可以在较高温度下工作——传播延迟基本上不受温度影响;而且它们还具有延长的工作寿命,不存在LED的耗坏问题。它们还通过了类似高质量光耦合器的安全认证。目前可提供的iCoupler器件具有2.5 kV rms额定隔离度(稳定状态下为400 V rms),具有提高50%以上的未来发展前景。

免责声明
因为《模拟对话》杂志不是一本详尽的说明书,所以上述实例仅从基本原理上举例说明了iCoupler技术如何用于网络通信中,而不是测试应用的详细原理图。欲了解更多信息,请参考产品技术资料和可提供的应用笔记(见下面的参考文献)。无论什么时候,在采用高电压电路工作时都应该特别谨慎。

深入阅读资料:
AN-727: iCoupler Isolation in RS-485 Applications.
AN-740: iCoupler Isolation in RS-232 Applications.
AN-770: iCoupler Isolation in CAN Bus Applications.
Frequently Asked Questions About Isolation, iCoupler Technology, and the ADuM1100 Digital Isolator.
iCoupler Digital Isolation Products.
iCoupler Isolation Technology.
iCoupler Product Family.
Wayne, Scott. “Finding the Needle in a Haystack.” Analog Dialogue 34-01. January-February 2000.

参考文献——2005年10月起有效
1. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/adum1400/products/product.html
2. ADI 网站: http://www.analog.com/static/imported-files/product_selection_guide/iCoupler_Selection_Guide_0708.pdf
3. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/ADUM1402/products/product.html
4. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/rs-232/ADM232L/products/product.html
5. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/ADUM1301/products/product.html
6. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/rs-485/ADM2486/products/product.html

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