作為與外圍設備串行通信的標準，USB如今無處不在。然而，在許多情況下，工業設備仍然依賴于舊標準的RS-232進行調試或主從連接。為了通過差分通信增加魯棒性，RS-422或RS-485也被廣泛使用，RS-485仍然是各種有線多節點工業網絡或現場總線協議使用的物理層標準。因此，用于調試或監視的工具（例如只有用于串行通信的 USB 的筆記本電腦）上的可用接口與可能僅公開 RS-232、RS-422 或 RS-485 接口的工業設備之間可能存在不匹配。

除了任何USB到UART轉換所需的硬件接口外，電氣隔離是測試或監控設備之間的任何接口電路以及在電氣惡劣環境中可能活躍使用的工業設備的功能和潛在安全要求。ADI公司的接口i耦合器和iso電源隔離技術的組合，集成在各種IC中，為彌合USB和傳統工業接口之間的差距提供了簡單的解決方案。

為什么使用電流隔離？

與工業設備接口時，避免干擾這些系統的運行至關重要。電流隔離可防止任何電流流動，同時允許數據傳輸，從而保護被測單元和調試單元。連接調試控制臺（如筆記本電腦）時，有幾個明顯的危險，如圖 1 所示。

圖1.潛在的電氣危險。

如果調試設備接地，接地電位的差異會導致環路電流

如果調試設備未接地，靜電會排放到被測單元中

由于電機和繼電器的開關噪聲，現場總線網絡上可能會出現危險電壓

某些基本的診斷設備（如筆記本電腦）可能沒有與工業設備相同的嚴格接口保護級別。

在USB到UART接口中，有兩種可能性：可以隔離USB接口或隔離UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。理論上，兩者都可以隔離，以保護接口模塊本身不受任何設備的影響，或者提供與串聯的兩個基本隔離接口的安全隔離。

使用i耦合器數字隔離器進行隔離

與光耦合器相比，采用i耦合器技術的數字隔離器具有高水平的電流隔離魯棒性，具有更高的可靠性和更低的功耗要求。與非隔離解決方案相比，其他IC功能（如收發器）可以集成到單芯片解決方案中，需要稍微增加PCB面積。這對于隔離RS-232或RS-485接口特別有利，在這些接口中，已經需要IC以適當的電壓發送和接收。

對于USB，兩個信號D+和D?需要透明隔離或具有自定義軟件驅動程序，以免干擾USB握手協議。使用USB數字隔離器（如ADuM3160）可在寬體SOIC封裝中實現這一點。隔離器的一側通過USB電纜提供電源，因此隔離側也應提供類似的電源。ADuM5000在單個寬體SOIC中提供隔離電源，采用集成isoPower芯片級變壓器實現隔離電源。如果需要額外的功率水平，可以使用外部變壓器和整流器，這需要變壓器驅動器和次級穩壓器，它們組合在ADuM3070中。

為了隔離RS-232，需要隔離發送（Tx）和接收（Rx）信號以及一些控制信號（RTS和CTS）。但是，除了UART的TTL接口外，還需要RS-232收發器將這些信號轉換為RS-232電壓電平。還需要一個隔離電源為隔離器的收發器和收發器側供電。如圖2所示，ADM3252E集成了所有三個組件（信號隔離、收發器和隔離電源），從而形成單個BGA占板面積，以提供完整的隔離式RS-232接口。

圖2.ADM3252E原理框圖

RS-485還需要一個收發器與2線總線（A和B）或4線總線（A、B、Y和Z）接口。要隔離的信號包括發射 （TxD）、接收 （RxD）、驅動器使能 （DE） 和接收器使能 （RE）。

與RS-232解決方案類似，ADM2587E提供完全隔離的RS-485接口，如圖3所示，包括為器件收發器側供電所需的集成isoPowerDC-DC轉換器。收發器也可用于RS-422通信。

圖3.ADM2587E原理框圖

隔離式USB轉工業串行接口選項

為了與工業設備上的串行端口接口，RS-232、RS-422或RS-485收發器必須與USB轉UART芯片（如FTDI FT2232H）結合使用。隔離可以在多個串行接口上單獨提供，例如，使用ADM3252E的RS-232端口和使用ADM2587E的RS-485端口，兩者都托管在同一USB連接上。這樣做的優點是將兩個端口彼此隔離，從而減少了連接到兩個工業設備時的潛在危險。此外，無需單獨的隔離電源，因為接口側電源在ADM3252E和ADM2587E中均采用isoPower技術在內部生成。

或者，可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔離器輕松地將隔離定位在單個點上。這意味著可以使用標準串行接口IC。但是，這些端口不是單獨隔離的，需要隔離電源解決方案（如ADuM3070）為USB至UART芯片、收發器和USB隔離器的下游側供電。

這兩種方法都在參考電路CN-0373的單個板上演示，如圖4所示。它結合了ADuM3160隔離USB接口，ADuM3070為電路板（包括USB轉UART芯片）提供隔離電源，ADM3252E/ADM2587E分別隔離RS-232、RS-422和RS-485接口。

圖4.USB 到 UART。

結論

電流隔離是工業環境中設備接口的重要組成部分。采用i耦合器技術的數字隔離器允許將其與訪問工業串行接口所需的IC集成，并允許USB接口的透明隔離。這允許為工業應用提供完全隔離的USB到串行實現。為了說明此應用的可能隔離解決方案，ADI公司提供了電路筆記CN-0373：隔離式USB轉隔離式RS-485/隔離式RS-232接口。這在USB接口以及RS-232和RS-485端口上完全隔離了USB到UART芯片，從而可以全面測試和演示所提供的魯棒性。

審核編輯：郭婷