簡介

作為與外圍設(shè)備進(jìn)行串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，USB如今無處不在。但是，在許多情況下，工業(yè)設(shè)備仍然依賴于較舊的RS-232標(biāo)準(zhǔn)，用于調(diào)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(jié)點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線協(xié)議使用的物理層標(biāo)準(zhǔn)。因此，用于調(diào)試或監(jiān)視的工具上的可用接口（例如僅具有用于串行通信的USB的膝上型計(jì)算機(jī)）和可能僅暴露RS-232，RS-422或RS的工業(yè)設(shè)備之間可能存在不匹配-485接口。

除了任何USB到UART轉(zhuǎn)換所需的硬件接口外，電流隔離對(duì)于測(cè)試或監(jiān)控設(shè)備之間的任何接口電路以及工業(yè)設(shè)備而言都是功能性和潛在的安全要求。可能在電氣惡劣的環(huán)境中積極使用。 ADI公司的接口 i 耦合器?和 iso 電源?隔離技術(shù)的組合，集成在一起集成電路，可以輕松解決USB和傳統(tǒng)工業(yè)接口之間的差距。

為什么要使用電隔離？

當(dāng)與工業(yè)設(shè)備連接時(shí)，避免干擾是至關(guān)重要的這些系統(tǒng)的運(yùn)作。電流隔離可防止任何電流流動(dòng)，同時(shí)允許數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保護(hù)被測(cè)單元和調(diào)試單元。連接調(diào)試控制臺(tái)（如筆記本電腦）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)，如圖1所示。

如果調(diào)試設(shè)備接地，地電位的差異會(huì)導(dǎo)致環(huán)路電流

如果調(diào)試設(shè)備沒有接地，靜電可以放電到被測(cè)設(shè)備中

由于電機(jī)和繼電器的開關(guān)噪聲，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。

某些基本診斷設(shè)備（如筆記本電腦）可能沒有與工業(yè)設(shè)備相同的嚴(yán)格級(jí)別的接口保護(hù)

在USB轉(zhuǎn)UART界面中，有兩種可能： USB接口可以隔離，也可以隔離UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。從理論上講，兩者都可以隔離，以保護(hù)接口模塊本身免受任何設(shè)備的影響，或者提供與兩個(gè)基本隔離接口串聯(lián)的安全隔離。

使用 i 耦合器數(shù)字隔離器隔離

使用 i 耦合器技術(shù)的數(shù)字隔離器為電流隔離提供高水平的穩(wěn)健性，同時(shí)提高可靠性和降低功耗要求比光耦合器。其他IC功能（如收發(fā)器）可以集成到單芯片解決方案中，與非隔離解決方案相比，需要額外的PCB面積。這對(duì)于隔離RS-232或RS-485接口特別有利，因?yàn)橐呀?jīng)要求IC以適當(dāng)?shù)碾妷哼M(jìn)行發(fā)送和接收。

對(duì)于USB，需要兩個(gè)信號(hào)D +和D-。透明隔離或具有自定義軟件驅(qū)動(dòng)程序，以免干擾USB握手協(xié)議。使用USB數(shù)字隔離器（如ADuM3160）可在寬體SOIC封裝中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過USB電纜可在隔離器的一側(cè)提供電源，因此也應(yīng)在隔離側(cè)提供類似的電源。 ADuM5000在單個(gè)寬體SOIC中提供隔離電源，使用集成的 iso 電源芯片級(jí)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離電源。如果需要額外的電源，可以使用外部變壓器和整流器，需要變壓器驅(qū)動(dòng)器和次級(jí)穩(wěn)壓器，它們組合在ADuM3070中。

為了隔離RS-232，需要一個(gè)發(fā)送器（Tx）和接收（Rx）信號(hào)需要隔離，以及一些控制信號(hào)（RTS和CTS）。但是，除了UART的TTL接口外，還需要RS-232收發(fā)器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232電壓電平。還需要隔離電源來為收發(fā)器和隔離器的收發(fā)器側(cè)供電。所有三個(gè)組件（信號(hào)隔離，收發(fā)器和隔離電源）都集成在ADM3252E中，如圖2所示，從而形成單個(gè)BGA封裝，提供完整的隔離RS-232接口。

< p> RS-485還要求收發(fā)器與2線總線（A和B）或4線總線（A，B，Y和Z）連接。要隔離的信號(hào)是發(fā)送（TxD），接收（RxD），驅(qū)動(dòng)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，包括為其供電所需的集成 iso 電源DC-DC轉(zhuǎn)換器。設(shè)備的收發(fā)器側(cè)。收發(fā)器也可用于RS-422通信。

隔離USB到工業(yè)串行接口的選項(xiàng)

為了與工業(yè)設(shè)備上的串行端口連接， RS-232，RS-422或RS-485收發(fā)器必須與USB轉(zhuǎn)UART芯片結(jié)合使用，例如FTDI FT2232H。隔離可以在多個(gè)串行接口上單獨(dú)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。這具有將兩個(gè)端口彼此隔離的優(yōu)點(diǎn)，減少了連接到兩個(gè)工業(yè)設(shè)備時(shí)的潛在危險(xiǎn)。此外，不需要明顯的隔離電源，因?yàn)榻涌趥?cè)電源是在ADM3252E和ADM2587E中使用 iso 電源技術(shù)在內(nèi)部生成的。

或者，隔離可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔離器可輕松定位在一個(gè)點(diǎn)上。這意味著可以使用標(biāo)準(zhǔn)串行接口IC。但是，端口不是單獨(dú)隔離的，需要隔離電源解決方案（如ADuM3070）將USB提供給UART芯片，收發(fā)器和USB隔離器的下游端。

這兩種方法都在參考電路CN-0373的單板上進(jìn)行了演示，如圖4所示。它結(jié)合了ADuM3160以隔離USB接口，ADuM3070為電路板提供隔離電源，包括USB轉(zhuǎn)UART芯片和ADM3252E / ADM2587E隔離分別為RS-232，RS-422和RS-485接口。

結(jié)論

電流隔離是與工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備連接的重要組成部分。采用 i 耦合器技術(shù)的數(shù)字隔離器允許將其與訪問工業(yè)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(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)完全隔離的USB到串行實(shí)現(xiàn)。為了說明該應(yīng)用的可能隔離解決方案，ADI提供了一個(gè)電路筆記CN-0373：隔離USB到隔離RS-485 /隔離RS-232接口。這樣就可以在USB接口和RS-232和RS-485端口完全隔離USB到UART芯片，從而可以對(duì)所提供的穩(wěn)健性進(jìn)行全面測(cè)試和演示。