精品文檔-下載后可編輯iCoupler數(shù)字隔離器保護(hù)工業(yè)、儀器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的RS-232、RS-...-新品速遞引言在工業(yè)過程控制、穩(wěn)壓電源和計(jì)算機(jī)之間點(diǎn)對點(diǎn)通信等應(yīng)用中，都是采用串行通信總線在各種物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)，例如RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線?；ミB系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)通常都有自己的電源，而且往往相距很遠(yuǎn)，所以通常都需要采用電流隔離不形成接地環(huán)路，保護(hù)系統(tǒng)免遭瞬態(tài)高電壓損壞，而且降低了信號失真，也保護(hù)了人身安全。

隔離變壓器、耦合電容器、光耦合器以及本文討論的iCoupler隔離器——都是提供電流隔離的典型方法，它們能阻斷兩點(diǎn)之間的電流，同時(shí)允許數(shù)據(jù)順利通過（見圖1）。隔離用來保護(hù)設(shè)備以防由電源浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流，這在任何有多個接地通路的系統(tǒng)中都有可能發(fā)生。被長電纜分開的系統(tǒng)地線因?yàn)椴皇翘幱谙嗟鹊碾娢?，所以地電流會在這兩個系統(tǒng)之間流動。如果不采用隔離，上述電流會引入噪聲，降低測量質(zhì)量，甚至毀壞系統(tǒng)元件。工業(yè)環(huán)境下發(fā)生的因電機(jī)開關(guān)、靜電放電（ESD）或者鄰近電弧閃擊通過感應(yīng)方式耦合到長電纜中的電流會引起地電位的快速變化，常常會高達(dá)上百甚至上千伏。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)將遠(yuǎn)程系統(tǒng)需要的邏輯電平開關(guān)信號疊加到相對于其本地的地電位的高電壓上。如果沒有隔離，此電壓可能會破壞信號或者損壞系統(tǒng)。如果將連接到總線上的所有器件都參考同一地線可以保護(hù)該系統(tǒng)以防這種破壞性的高電壓，而且隔離的器件會防止形成接地環(huán)路和電涌。要完全地隔離系統(tǒng)，必須隔離所有的信號線和電源。帶隔離的DC/DC變換器可以提供電源隔離，而iCoupler數(shù)字隔離器可以提供信號隔離。

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227292656279.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖1電流隔離器允許信息通過而阻止電流通過

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227292735377.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖2在iCoupler隔離器的輸出端恢復(fù)數(shù)字輸入信號

iCoupler技術(shù)iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管（LED）和光電二極管對比的不同之處。iCoupler技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題；功耗降低了90％；并且無需外部驅(qū)動器或分立器件。變壓器初級端的電路將輸入邏輯跳變編碼成1ns的脈沖，然后通過變壓器對它耦合；次級端電路檢測這些經(jīng)過耦合的脈沖并且恢復(fù)輸入信號，如圖2所示。輸入端有一個刷新電路保證即使不存在輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也能與輸入狀態(tài)相匹配。這對于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入情況下是很重要的。因?yàn)閕Coupler產(chǎn)品的目的是將輸入和輸出隔離開，所以變壓器初級端的電路和次級端的電路必須封裝在分開的芯片中。變壓器本身可以置于上述任何一顆芯片中——或者第三顆芯片中。整個芯片組被組裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝中，類似多種半導(dǎo)體器件所采用的封裝。iCoupler器件的一個新特點(diǎn)是其發(fā)送通道和接收通道結(jié)合在同一封裝中的能力。因?yàn)閕Coupler變壓器本質(zhì)上是雙向的，所以只要變壓器的兩端有適當(dāng)?shù)碾娐?，信號就可以從任何一個方向通過。按照這種方法，就可以提供具有各種發(fā)送通道或接收通道配置的多通道隔離器。

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227292960100.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖38信號線RS-232網(wǎng)絡(luò)配置

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293034806.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖4帶隔離的RS-485電路

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293079525.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖5ADM2486帶隔離的RS-485收發(fā)器

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293111878.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">圖6帶隔離的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

串行通信總線RS-232（EIA232）和RS-485（EIA/TIA485）規(guī)約只規(guī)定了物理層，從而信號協(xié)議允許由用戶來定義，或者按照規(guī)定在物理層使用它們的其它標(biāo)準(zhǔn)來定義。另外，CAN總線規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。RS-232總線：RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是常見的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)之一。它目前仍廣泛用作系統(tǒng)間的通信鏈路，其簡易、靈活性以及長期的成功使用決定了它的繼續(xù)流行。它適合于點(diǎn)對點(diǎn)通信，采用兩根具有接地參考信號的專用非平衡的單端線可提供全雙工通信。RS-232的數(shù)據(jù)速率限制在20kbps，或者在低電壓偏差條件下可以到64kbps。實(shí)際電纜長度限于大約16m，容性負(fù)栽為2500pF，負(fù)栽阻抗為3kΩ~7kΩ。RS-232規(guī)定了邏輯1（正邏輯）的驅(qū)動器輸出電平為-5V~-15V，對于邏輯0（負(fù)邏輯）則為＋5V~＋15V——對于邏輯1的接收器輸入電平為-5V~-15V，對于邏輯0則為＋5V~＋15V。收到有效的信號電平。

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293362935.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293344945.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293464058.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293596954.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">

740)this.width=740"src="/images/531222122/20225227293782896.jpg"onmousewheel="returnzoom_img(event,this)">RS-232規(guī)約規(guī)定了具有20根信號線的25針D形連接器的引腳排列，但是更常見的是具有8根信號線的9針D形連接器，如圖3所示。每個方向都有一根線用于數(shù)據(jù)傳輸，其余的線用于通信協(xié)議。在簡單的情況下，實(shí)現(xiàn)RS-232總線僅使用其中三根線：Tx（發(fā)送數(shù)據(jù)），Rx（接收數(shù)據(jù)）和GND（地線）。RS-232通常用于連接多個系統(tǒng)，所以各系統(tǒng)和總線之間的隔離是至關(guān)重要的。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間，而只能用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到通用異步收發(fā)器（UART）或者處理器，采用0～3V或者0～5V的邏輯電平。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入和輸出電路彼此是電隔離的，所以將其置于UART和收發(fā)器之間，作為隔離系統(tǒng)和電纜的一種簡單方法。為了完成這種隔離，通常用一種帶隔離的DC/DC變換器給該隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1402iCoupler數(shù)字隔離器、ADM232LRS-232收發(fā)器和帶隔離的電源的組合用法，如圖3所示，避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。RS-485總線：規(guī)定RS-485標(biāo)準(zhǔn)用來驅(qū)動多達(dá)32對驅(qū)動器和接收器。其通用性和驅(qū)動長4000m電纜的能力使得它常用于各種應(yīng)用，尤其是遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)之間互連。小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）和PROFIBUS協(xié)議都采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)用于通信?？捎玫碾娎|長度取決于對數(shù)據(jù)速率的要求，其速度和距離組合可以從1200米對應(yīng)200kbps到100米對12Mbps。RS-485驅(qū)動器采用平衡的差分信號，通過兩根輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過比較兩個信號確定邏輯狀態(tài)；如果差分信號電壓大于200mV便可提供有效的邏輯電平。驅(qū)動器和接收器中的差分放大器控制信號線間的電流方向。這樣就比諸如RS-232單端信號方案提供較高的抗噪聲干擾能力。因?yàn)镽S-485通常用于連接多個系統(tǒng)，所以各系統(tǒng)和總線之間的隔離非常關(guān)鍵。像使用RS-232一樣，數(shù)字隔離器不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn)，所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間，而只能用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到本地總線或者處理器。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入和輸出電路彼此是電隔離的，所以將其置于處理器和收發(fā)器之間是一種隔離系統(tǒng)和電纜的簡單方法。為了完成這種隔離，通常使用帶隔離的DC/DC變換器給隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301iCoupler數(shù)字隔離器和帶隔的離電源的組合用法，如圖4所示，避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。圖5示出了ADM2486單芯片隔離RS-485收發(fā)器。CAN總線：CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，它規(guī)定了一種2線串行通信協(xié)議，允許高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)速率、多達(dá)30個結(jié)點(diǎn)和40米的電纜長度。它以幀為單位傳送異步數(shù)據(jù)，幀中包括起始位（bit）和停止位、一個仲裁字段、一個控制字段、一個循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）字段和一個確認(rèn)字段。每個結(jié)點(diǎn)都能同時(shí)偵聽和傳送數(shù)據(jù)，所以該協(xié)議重要的特點(diǎn)之一就是其非破壞性的位序列仲裁，它保證了不會有數(shù)據(jù)丟失。每個結(jié)點(diǎn)在消息開始時(shí)發(fā)送一個主消息起始（SOM）位。其它的結(jié)點(diǎn)將會看到此動作并且在該消息完成之前都不會啟動傳輸。然后，發(fā)送11bit或者29bit的仲裁字段。該字段也稱為標(biāo)識符，指示總線上所發(fā)送消息的優(yōu)先次序。任何時(shí)候都是優(yōu)先級的結(jié)點(diǎn)控制總線，讓較低優(yōu)先級的結(jié)點(diǎn)等待。這種非破壞性的仲裁確保了優(yōu)先級的消息總能通過。像使用RS-232和RS-485總線一樣，數(shù)字隔離器不支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間，而只能用在收發(fā)器和本地CAN控制器之間，采用3V或5V的邏輯電平。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入電路和輸出電路彼此是電隔離的，隔離系統(tǒng)和電纜的一種簡單的方法是將其置于處理器和收發(fā)器之間。為了完成這種隔離通常用一種帶隔離的DC/DC變換器給該隔離器和收發(fā)器供電。iCoupler數(shù)字隔離器和帶隔離的電源的組合用法，如圖6所示，避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。

iCoupler基于iCoupler工藝的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要優(yōu)于光耦合器。ICoupler器件是配套齊全的器件，除了常用的旁路電容以外無需外部元件；它們通常以較高的數(shù)據(jù)速率（達(dá)100Mbps）和較短的傳播延遲（18ns