带有isoPower的集成式iCoupler数字隔离器提供USB和传统工业接口之间的桥接

简介

作为外围设备串行通信的标准,USB目前被广泛使用。不过,许多情况下工业设备仍依赖旧的RS-232标准进行调试或主从连接。为了通过差分通信增加鲁棒性,RS-422或RS-485也已广泛使用,RS-485仍是各种有线多节点工业网络或现场总线协议使用的物理层标准。因此,用于调试或监控的工具可用接口之间可存在失配,例如仅具有用于串行通信的USB的笔记本电脑,以及可能仅暴露RS-232、RS-422或RS-485接口的工业设备。

除任何USB至UART转换所需的硬件接口外,对于测试或监控设备以及工业设备(可能很常用于恶劣的电气环境下)之间的任何接口电路,电流隔离是功能及潜在安全性要求。ADI公司接口、iCoupler®和isoPower®隔离技术的组合在各种IC中集成后,可实现USB与传统工业接口之间的轻松桥接解决方案。

为何使用电流隔离?

与工业设备接口时,避免干扰这些系统的工作极为重要。电流隔离可阻止任何电流,同时允许数据传输,保护受测试单元和调试单元。连接调试控制台(例如笔记本电脑)时,有几种明显危险,如图1所示。

图1. 潜在电气危险

  • 如果调试设备接地,地电位差异可导致环路电流
  • 如果调试设备未接地,静电可释放至被测试单元内
  • 由于来自电机和继电器的开关噪声,现场总线网络可产生危险电压
  • 一些基本诊断设备(例如笔记本电脑)可能不具有与工业设备一样严格的接口保护水平

在USB至UART接口中,存在两种可能性,可隔离USB接口,或者隔离UART接口(RS-232、RS-485和RS-422)。理论上,两者均可隔离,以便保护接口模块本身不受设备影响,或者提供由两个基本隔离接口串联而成的安全隔离。

i使用iCoupler数字隔离器的隔离

使用iCoupler技术的数字隔离器为电流隔离提供高鲁棒性,且具有更高的可靠性,功率要求低于光耦合器。其他IC功能性(例如收发器)可集成到单芯片解决方案中,所需PCB面积相比非隔离解决方案有少量增加。这对隔离已有IC在适当电压下发送和接收的RS-232或RS-485接口尤其有利。

对于USB,需要明确隔离两个信号D+和D-,或需要定制软件驱动程序以免干扰USB握手协议。将数字隔离器用于USB,例如ADuM3160,可在宽体SOIC封装中实现此目的。可跨越USB电缆在隔离器的一端提供功率,因此在隔离端也应提供相似的电源。ADuM5000使用集成isoPower芯片级隔离电源变压器,在单个宽体SOIC封装中提供隔离电源。如果需要额外的功率水平,可使用外部变压器和整流器,因此需要变压器驱动器和辅助稳压器,这两者均组合在ADuM3070中。

为了隔离RS-232,发射(Tx)和接收(Rx)信号以及一些控制信号(RTS和CTS)都需要隔离。不过,除TTL至UART接口外,需要RS-232收发器以在RS-232电压电平间转换这些信号。另外需要隔离电源以为收发器和隔离器收发器端供电。所有三个元件(信号隔离、收发器和隔离电源)如图2所示组合在ADM3252E中,形成单个BGA封装,以提供完整的隔离RS-232接口。

图2. ADM3252E功能框图

RS-485还需要收发器以与双线总线(A和B)或四线总线(A、B、Y和Z)接口。需隔离的信号为发射(TxD)、接收(RxD)、驱动器使能(DE)和接收器使能(RE)。

与RS-232解决方案类似,ADM2587E提供如图3所示的全隔离 RS-485接口,包括为器件收发器端供电的集成式isoPower DC-DC转换器。该收发器也可用于RS-422通信。

图3. ADM2587E功能框图

隔离USB至工业串行接口选项

为了与工业设备上的串行端口接口,RS-232、RS-422或RS-485收发器必须与USB至UART芯片组合,例如FTDI FT2232H。隔离可在多个串行接口单独提供,例如使用ADM3252E的RS-232端口和使用ADM2587E的RS-485端口;两者均在同一USB连接上运行。此方案的优点是两个端口彼此隔离,从而降低连接两台工业设备时的潜在危险。此外,不需要额外的隔离电源,因为接口端电源使用isoPower技术从内部集成在ADM3252E和ADM2587E中。

或者,隔离可使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔离器轻松地定位在单一点。这意味着可使用标准串行接口IC。不过,端口未单独隔离,且需要隔离电源解决方案(例如ADuM3070)以为USB至UART芯片、收发器和USB隔离器下游端供电。

两种方法在参考电路CN-0373中的单个电路板上演示,如图4所示。此方案组合ADuM3160以隔离USB接口,组合ADuM3070以为电路板(包括USB至UART芯片)提供隔离电源,组合ADM3252E/ADM2587E以分别隔离RS-232、RS-422和RS-485接口。

图4. USB到UART

结论

电流隔离是工业环境中与设备接口的基本元件。使用iCoupler技术的数字隔离器允许此器件与访问工业串行接口所需的IC集成,同时允许USB接口的透明隔离。这样可实现适合工业应用的完整隔离式USB至串行实施方案。为了说明针对此应用的可能隔离解决方案,ADI提供了电路笔记CN-0373:隔离式USB转隔离式RS-485/隔离式RS-232接口。这样可在USB接口和RS-232及RS-485端口上完全隔离USB至UART芯片,充分测试和演示所提供的鲁棒性。

作者

Conal-Watterson

Dr. Conal Watterson

Dr. Conal Watterson 现为ADI公司接口与隔离技术部门(ITG)的收发器应用工程师,在爱尔兰利默里克工作。他于2003年获得利默里克大学计算机工程学士学位,随后在利默里克大学自动化研究中心(ARC)从事现场总线诊断研究工作,2005年获工程学硕士学位。其后在利默里克大学电路与系统研究中心(CSRC)和电信价值链研究中心(CTVR)研究嵌入式软件的监控和可靠性,于2010年获博士学位。