摘要：如果必須隔離一個與PC機連接的設備，人們很自然地會選擇USB接口。USB廣泛的工業支持和簡易結構(USB電纜僅有4條線)使其成為一種通用的PC接口。USB控制器配合SPI接口的嵌入式系統可以很容易地實現電氣隔離。SPI接口由簡單的單向信號線構成，可在任何速率下運行。

概述

通用串行總線(USB)已經成為外圍設備與個人計算機連接的標準方式。如果一個與PC連接的設備需要電氣隔離，USB將是一個很自然的選擇接口。USB的兩個著名的隔離應用是基于PC平臺的醫療設備和具有很大地電位差的工業應用。

USB基礎信號

USB具有以下三種工作速率：

• 低速，1.5Mbps
• 全速，12Mbps
• 高速，480Mbps

本文討論全速(12Mbps) USB連接的光隔離，12Mbps的速度可滿足一般數據傳輸的帶寬要求，設計中使用廉價光耦，支持足夠的數據傳輸速率。

USB連接器包含四條線：2條用于電源供電(VBUS和GND)，2條用于USB數據傳輸(D+和D-)。VBUS提供5V電源，電流可達500mA。D+和D-為雙向信號線，信號傳輸速率為12Mbps (每位83ns)。D+和D-信號電平為3.3V。

USB隔離的設計挑戰

圖1. 一個USB外設可以在三個位置隔離：位置1，USB總線；位置2，收發器接口；位置3，應用接口。現在絕大部分設計中，SIE和收發器集成在一起，無法在位置2實現隔離。

USB外設結構框圖如圖1所示。從右至左來看該圖，USB收發器連接至D+和D-，發送或接收數據都由OE (輸出使能)控制。中間單元是USB串行接口引擎(SIE)，其作用是將總線信號(由收發器發送和接收)轉換成字節數據或USB信號，以供USB外設使用。最左邊的單元是應用電路，可能是微處理器、專用集成電路或數字信號處理器(DSP)。

標記1、2和3的灰色的長方形，顯示了放置光耦、隔離USB設備與主計算機的三種可能位置。


圖2. 示波器顯示USB D+和D-信號(圖1中的位置1)，83ns的位時間和嚴格匹配的上升/下降時間，使光耦隔離很難保持信號的保真度。D+和D-是雙向信號，使得隔離更加復雜。

位置1

下列理由說明在USB總線上進行光耦隔離是不切實際的，見圖2：

1. 信號速率為12MHz，對于性價比較高的隔離器來說成本過高。
2. D+和D-信號的傳輸延遲、偏差必須完全一致，使用光耦隔離器很難滿足一致性要求。
3. 總線為雙向，而隔離器為單向，使光耦隔離更加復雜。而且對于一個使用集成收發器的外圍設備，無法得到OE信號(指示傳輸方向)。

位置2

使用外置收發器的USB外設其收發器接口暴露在外部，對于這些單向信號可以考慮使用光耦隔離。盡管如此，這個位置和位置1有著相同問題：數據速率過高，而且有多路12MHz速率的信號需要隔離。VPO、VMO、RCV、VPI和VMI信號都運行在12MHz速率，必須嚴格保持這些信號傳輸延遲、偏差的一致性。此外，現代USB設計中將SIE和收發器集成在同一芯片，也很難獲得這個接口。

位置3

這是最有希望實現隔離的位置，這個接口工作速率低于USB數據速率和線速率，且該接口可以完全由單向信號構成。事實上，一個理想的接口應該只使用少量單向信號，且這些信號的數據速率遠低于USB的12MHz信號速率。

符合這些要求的理想接口是SPI (串行外圍設備接口)，該接口由Motorola定義，現已用于許多半導體器件。由于其簡單、高效，SPI成為非常流行的接口。

SPI基礎信號

表1. SPI信號

SPI Signal	Description	Comments
SS#	Slave Select	Selects the chip for data transmission, supplied by the master
MOSI	Master Out Slave In	Unidirectional data pin
MISO	Master In Slave Out	Unidirectional data pin
SCLK	Serial Clock	Serial clock, supplied by the master

表1給出了SPI接口的4個信號。SPI為主從式接口，主接口啟動并控制與一個從接口的通信。主機提供從機選擇信號(SS#)和串行時鐘(SCLK)，用于同步數據傳輸。SPI接口具有四種時鐘模式，具體由2個模式信號CPOL (時鐘極性)和CPHA (時鐘相位)決定，這些信號表示為(CPOL, CPHA)。

圖3描述了微處理器與SPI從設備間的SPI數據傳輸，圖3采用最常見的SPI模式(0,0)。在(0,0)模式中，時鐘在無效狀態下為低電平。SPI主機在第一個SCLK上升沿之前將MOSI數據準備好。SPI數據在SCLK下降沿變化，主從設備均在上升沿對數據進行采樣。


圖3. 工作在模式(0,0)的SPI接口，如果SCLK信號為低有效(靜止狀態為高)，同樣的接口也可工作在模式(1,1)。這些低頻信號易于進行光隔離。

很容易在微處理器上實現SPI接口，即使是沒有包含硬件SPI單元的微處理器。SPI接口只需要微處理器通過4個通用IO引腳(GPIO)構建圖3信號，子程序可通過直接觸發IO引腳的讀寫操作實現。

圖4顯示了USB外設控制器使用SPI接口時，SPI與USB的數據速率差異。圖中，主控制器實現USB鍵盤功能，并周期性地點亮一個LED燈。圖5所示SPI數據傳輸可由LED閃爍指示(觸發一個輸出位)；USB通信為USB主機請求鍵盤數據。

兩種總線之間數據速率的差異很顯著。頻率較低的單向SPI信號比12MHz的雙向USB總線信號更易于隔離。SPI信號使隔離方法變得非常簡單，能在任何頻率下運行，適用于各種光隔離器。


圖4. SPI數據速率和USB信號速率的比較。SPI信號更易于通過光耦傳輸。

系統如何按照圖4使得存在巨大差異的USB控制器的SPI總線速率與USB信號速率協調工作呢？USB的優點之一是通過內部流量控制實現“自節流”。通過使用“NAK" (非應答)握手信號完成信號流量控制。由此，外圍設備告知主機請求的數據還沒準備好，主機應稍后再試。

SPI數據速率和USB NAK

圖5. USB總線的低速外圍設備對主機IN數據請求的響應。主機在信息包362-364中發出數據請求。外圍設備發出信息包420表示數據準備就緒。插入的IN-NAK信息包為USB流量控制，外圍設備在數據準備就緒之前始終響應NAK。

圖5顯示了USB數據傳輸的流量控制機制。從信息包362開始，主機發出Get_Descriptor-Configuration請求。信息包363從第二個字節到最后一個字節的09表示主機請求外設發送9個字節的數據。外設在信息包364中對請求應答，然后對請求進行譯碼，并將請求數據裝入數據FIFO的末端0處。低速外圍設備需要一定時間才會應答這個請求，低速SPI總線會進一步延長響應時間。

988.667微秒后(信息包364后)，主機在信息包366中開始請求發送數據。外設沒有數據，USB硬件自動產生NAK握手響應，表明“忙碌中，稍后再試”。主機在信息包368中重試，并從外設獲得同樣的NAK應答。這個IN-NAK過程一直持續到信息包419，外設最終完成請求數據的裝載，并在數據末端0處準備數據發送。此時，外設在信息包420中將以9字節的數據包響應取代NAK，主機在信息包421中應答。

IN-NAK響應(圖5中用虛線矩形標出)可能發生多次，這意味著SPI接口的工作速率沒有最低限制。允許設計者調整SPI數據速率，以適應高性價比設計中的光耦選擇。

隔離USB設計實例

詳細電路圖(PDF, 204kB)
圖6. 隔離USB設計原理圖，左邊部分由USB總線自身供電，右邊部分使用隔離電源供電。在SPI接口處進行隔離，使得設計簡單，并且不受USB總線時序的影響。

圖6是利用Atmel?的低成本微處理器AtTiny13 (U6)、光耦HCPL-2531 (U3-5)和MAX3420E (U1)構建，MAX3420E是帶有SPI接口的USB外設控制器。雖然U6不包含硬件SPI單元，通過對GPIO引腳進行“逐位控制”可以很容易地實現SPI接口。U1提供四個通用輸入、四個通用輸出引腳取代(加至) U6實現SPI接口的引腳。這個設計使用兩個輸出引腳驅動LED指示器D1和D2，一個輸入引腳連接至按鈕PB1。因為U1本身包含由SPI接口控制的IO引腳，這些IO與U6本質上是隔離的，因此不需要額外隔離。


圖7. 在隔離接口兩側的SPI SCLK信號，上部：ISOVCC = 8.3V，ISOGND = 5V。下部：由USB供電：VCC = 3.3V，GND = 0V。

圖7顯示了隔離接口兩側的SCLK信號，兩條曲線的基線都在屏幕底部。上部曲線顯示由U6產生的SCLK信號，但有5V的偏移。


圖8. 隔離的SCK信號(上部)和處于MAX3420E側的SCK信號(下部)，擴大比例顯示。

圖8是圖7放大比例后的圖形，用于說明光耦的性能。這個設計中選擇的電阻使光耦在起始位置有0.5μs的延遲。SCLK中間部分的短脈沖由U6驅動SCLK IO引腳的程序產生。U6的這部分程序如圖9所示。


圖9. AtTiny13對MAX3420E寄存器進行讀操作的匯編程序。在此可以調整SPI接口的時序以提高光耦的性價比。

在r4標號前，SCK信號驅動為低電平，然后再次驅動為高電平(SCLK_LO和SCLK_HI是匯編宏，不需要改變代碼就可以很容易對實際電路的IO引腳賦值)。

這兩個語句之間插入少量NOP指令，圖8中的窄脈沖可以變寬，由此，使用低速光耦(這意味著更低的成本)成為可能。這個方法證明在光隔離應用中使用SPI接口的靈活性。

結論

由于USB數據信號的高速、雙向和嚴格的一致性要求，電氣隔離USB設計面臨諸多挑戰。如果隔離USB控制器和應用處理器之間的接口(圖1中的位置3)，隔離問題將會變得簡單，因為這個接口可在任意速率下運行。位置3的低信號速率使其非常適合低成本光耦解決方案。對于任何隔離設計，需要隔離的線路越少，成本就越低。因為SPI接口只使用四條低速、單向信號線，所以SPI接口是隔離的理想位置。因為MAX3420E可以通過簡單的SPI接口與任意的微處理器進行通信，是嵌入式系統增加USB功能的理想方案，也為系統提供了簡單的隔離方案。MAX3421E也可以用作隔離型USB主設備，MAX3421E即可作為外圍設備也可作為主設備，使用與MAX3240E相同的SPI接口。