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医疗系统中的USB隔离技术
新技术可以直接隔离USB信号线,从而可为设计者提供更大的灵活性

作者:David Krakauer Analog Device公司iCoupler独立产品生产线经理


通用个人电脑(PC)的广泛普及正在重塑医疗系统的构建方式。这些医疗系统的核心就是PC,只是采用专门的软件和针对医疗应用定制的功能对其进行了配置。这种方法降低了成本,缩短了开发时间,因为许多PC组件的价格已经很低。这种技术还能与其它系统(如服务技术人员的笔记本电脑)和外设(如打印机、键盘和鼠标)实现更好的互操作。然而,由于标准PC接口缺少直接、具有成本效益的隔离方案,这种技术的应用有时会很受到阻碍。

这是ADI公司的单芯片USB隔离器,利用内部稳压器可以在5V USB电源或系统提供的3.3V电源下工作。

RS-232是一种很容易隔离的PC通信端口,但正在被逐步淘汰,让位于一种更具鲁棒性、更高速度的接口USB,而且带这种接口的外设已经相当多。然而,这种接口与RS-232不同,很难进行隔离,因为它是差分和双向接口。直到最近,USB隔离还需要使用多个USB控制器、隔离器和其它元件,不仅增加了成本,而且延长了开发时间。现在,新的USB隔离技术已出现,它可将隔离医疗设备中USB所需的全部功能集成在一起,不需要额外的元件,无需修改主机或外设软件就能直接将其插入到USB信号路径中。

隔离式接口

医疗系统使用隔离来保护操作人员、病人或系统本身的安全。隔离也能将系统某个部件产生的噪声与另一个对噪声更敏感的部件隔离开来。凡需要安全性的应用场合,隔离器件都要受到像UL和IEC等组织设立的标准约束,所适用的标准取决于具体应用。例如,IEC 60601规定了对医疗设备的安全性要求,而IEC 60950适用于信息技术设备。

下面介绍在安全性标准中与医疗系统的隔离等级或质量有关的一些特定术语:

隔离额定值。隔离额定值通常规定为交流电压,是指隔离器能够承受的瞬时过电压。典型值是2.5kV rms、1分钟,但有更高隔离要求的医疗系统可能规定为5kV rms、1分钟。

工作电压。工作电压是指连续加在隔离上的电压。与隔离额定值一样,工作电压通常也规定为交流电压,但隔离阻障需要能够在整个工作寿命期间承受这个电压。工作电压典型值约400V rms。

增强型隔离。增强型隔离通常是医疗系统提出的要求,它规定的隔离值等效于两个独立系统的隔离。这种等效性需要通过确保隔离阻障能够承受比如10kV的短时持续浪涌电压来确定。增强型隔离常见于IEC标准,例如针对医疗应用的IEC 60601-1。

爬电距离。爬电距离是指沿着隔离阻障两侧的两导体之间封装表面的最短距离。

空隙。空隙是指两个导体之间的最短空气距离。特定应用要求的爬电距离和空隙取决于许多因素,包括安全标准、隔离类型(基本/单或者增强/双)、工作电压等。

与病人安全有关的医疗设备一般要求增强型隔离,工作电压为125V rms或250V rms,爬电距离和间隙为至少8mm。

隔离等级取决于系统是如何划分的。图1给出了带各种接口的一般医疗设备框图,并标出了可以实现隔离的位置。病人必须与主系统隔离,因此在B、C或D点要求对病人进行安全性隔离。在很多情况下,D点是不需要隔离的,因为传感器或其它设备必须直接连接病人。在其它情况下,如超声波设备,D点的隔离由传感器头部的塑料外壳提供。C点的信息仍处于模拟域,因此又要隔离又要保持精度很不经济。这样,医疗设备中的隔离通常在B点实施,但这会使操作人员和外设处于无保护状态,因此还需要在其它接口处实施隔离。


图1:一般医疗设备的框图,图中标示了可以实施隔离的接口位置。

医疗安全标准允许两种类型的隔离:病人保护型(MOPP)和操作人员保护型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601规定,MOOP则遵守严格程度较低的规定,比如IEC 60950。在上述例子中,系统可以被划分为要求接口B通过IEC 60601认证,而接口A、E、F和G可能只要求通过IEC 60950认证。

一些医疗系统为了确保最高安全等级,所有接口都要求符合IEC 60601,因为这些系统可能允许病人接触外围设备。另外,系统中与病人连接的部分可能被认为是一个外设,会连接到图中所示E、F和G接口中的任何一个。IEC 60601还规定了使用高电压除颤器时的安全性。与病人连接的任何设备只要没经过IEC 60601认证,那么在除颤期间必须被移走,不管有没有时间这样做。

USB的采用

系统内部接口,如图1中的A、B和C点,通常为UART、SPI和I2C,具体取决于成本、性能和尺寸要求。而系统架构师还要根据互操作性选择外部连接端口。过去,PC系统依赖于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特别是笔记本上越来越少,带RS-232的外设数量也在急剧减少。

相反,USB却快速增长,部分原因是USB接口的迅速普及和大量外设的支持。USB的即插即用特性还能降低开发费用和减少对专用软件的需求。在医疗设备中,USB的使用不只限于受过专业训练的操作人员,病人也可以在家里使用USB设备将数据下载到USB存储器,然后带到医院供医生诊断时使用。USB还能用来将传感器或其它测量设备连接到主系统。USB的优势之一是允许多达127个设备在一条总线上工作,因此即使只有一个USB端口也能使用多个外设。相反,RS-232串行通信端口只能处理一个设备。

USB隔离

总之,USB与RS-232相比具有一些明显的优势,包括:

  • 可扩展到127个外设。
  • 即插即用操作
  • 热插拔能力
  • 高数据速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)。
  • 兼容工业标准
  • 在PC上广泛普及

尽管有这些优势,但USB在医疗系统中的普及速度没有像在其它消费类应用中那么快。医疗领域与其它领域的区别在于隔离要求。尽管USB与RS-232相比有许多优点,但事实表明,隔离USB接口并不像隔离其它接口那样简单。

USB难以隔离,因为它是差分、双向接口,并且需要配置(通过上拉和下拉)电阻指示总线速度。仅双向这一特性就具有很大的挑战性,因为必须要用某种方法来确定数据传送的方向。在隔离型USB接口中,这个信息必须能穿越过隔离阻障。控制流由数据结构决定,而不是控制信号。

USB接口由以下4根线组成:

  • VDD
  • D+
  • D–
  • VSS

VDD是5V电源,VSS是参考地,D+和D-是差分信号。使事情变得更复杂的是,D+和D-还能用来发送单端数据,并且能用来判断总线状态。总线外设侧的上拉和下拉电阻用于设置USB接口的速度和空闲状态。根据定义,数据能按以下三种速率中的一种进行传送:

  • 1.5 Mbps (低速)。
  • 12 Mbps (全速)。
  • 480 Mbps (高速)。

USB 2.0标准支持全部三种数据速率(USB 1.1只支持低速和全速数据速率)。值得注意的是,一个器件即使不支持480Mbps也可以称为USB 2.0兼容器件。

因为标准光耦天生就是单向器件,因此使用光耦或其它单向隔离器的隔离接口必须先把USB信号转换成一组单向信号,如图2所示(图中没有画出EEPROMS,但它常被用来存储用于信号转换的代码)。在这个例子中,来自微控制器的D+/D-线被转换成单端、单向的SPI信号。这些信号经隔离后再使用USB串行接口引擎或USB控制器转换回USB信号。这个控制器增加了多个元件,并增加了走线数量,而不再是简单的双线总线。这种方法不仅代价高,占用相当大的电路板面积,并且需要额外的设计时间,部分原因是微控制器需要软件配置。这种实现方式的复杂性是造成医疗系统架构师对USB的采纳较迟缓的主要原因。


图2:隔离USB接口的可选方式。其中左图给出了使用微控制器和串行接口引擎将D+/D-信号转换成单向单端SPI的配置方法。右图是更简单的方法,ADuM4160 USB隔离器可被插入D+/D-信号路径中,不需要另外的信号转换元件。

单封装USB隔离

更简单、在成本和面积方面更具效益的USB隔离方法是使用专门的USB隔离器,这种隔离器可以直接插入到D+/D- USB信号路径。这样的隔离技术现在已经存在,能提供高达5kV rms的增强型隔离,并支持低速和全速数据速率。

与光耦不同,光耦使用LED和光敏晶体管并通过光传输将数据送过隔离阻障,而基于更新技术的隔离器使用平面变压器将数据送过20μm厚的聚酰亚胺绝缘层,这个绝缘层能承受6kV rms电压。数据发送是靠从一个线圈到另一个线圈的感应完成的。图3是这种变压器的结构。图4说明了数据流的上升和下降沿分别是如何编码为两个或单个1ns脉冲的。这些脉冲在接收器侧经过解码来还原发送的数据。

图3:平面变压器示意图。线圈被20μm厚的聚酰亚胺绝缘层所隔离,这种绝缘层的隔离额定值可高达6kV rms、1分钟。

图4:将数据送过隔离物的方法。上升和下降沿分别被编码为两个和单个脉冲。接收器通过解码这些脉冲在隔离物另一侧再生数据流。刷新电路不断地每隔1ms重传一次数据,以确保直流电压正确性。

隔离型USB的好处

与光耦相比,使用单个封装的专用USB隔离器有很多好处。使用变压器允许数据透过隔离物进行双向传送。虽然这种技术使用专用变压器进行发送和接收信号,但所有线圈都是相同的,并包含在一个封装内。这种方法用光耦是无法实现的。采用光耦的类似设置需要使用独立的器件处理每个方向的通信。

变压器的速度本来就比光耦中使用的LED-光敏晶体管组合要快,因此允许隔离器支持USB所要求的更快数据速率和更短传播延时。同时,这种隔离器的功耗较低,能够满足USB严格的待机功耗需求。

这种隔离技术的最关键优势在于能够在隔离器产品中集成额外的功能。这种集成带来的空间节省效果如图2所示,与USB收发器加光耦的多IC配置相比,USB隔离器占用的电路板面积可以减少75%。

借助于这种在成本和面积方面更具效益且很容易实现的USB隔离技术,医疗设备就可以充分利用USB的优势。例如在医疗系统中,家用病人监护仪上的隔离型USB端口可以实现家中病人与医院医生之间的实时连接,从而提供更好更准确的健康护理。采用隔离型USB后,这种家用病人监护仪可以连接到PC,然后通过互联网将数据实时传送到医院。只要经过IEC 60601医疗等级安全认证,带隔离型USB的系统甚至能在电击除颤过程中保持与病人的连接。

结束语

USB的广泛使用对想要充分利用USB优势的医疗系统架构师提出了挑战。隔离这些系统中的USB相当困难,代价也很高,而且不能有损于使用USB所带来的功能增强和最终成本效益。幸运的是,新型的USB隔离器已被开发出来解决这个问题。这种技术可以直接隔离差分、双向的D+/D- USB信号线。

David Krakauer是ADI公司iCoupler隔离产品的产品线经理。

Email地址:david.krakauer@analog.com

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