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USB是個(gè)人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業(yè)操作系統的支持，且允許硬件和驅動(dòng)器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127個(gè)設備。許多數據傳輸模式可處理存儲設備的大批量數據傳輸、流媒體的同步傳輸以及時(shí)間關(guān)鍵型數據的中斷驅動(dòng)型傳輸(如鼠標移動(dòng))等各類(lèi)傳輸。USB以三種數據傳輸速率運行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。該規范創(chuàng )建后強化了消費應用，這些應用要求連接必須簡(jiǎn)單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來(lái)解決復雜性的問(wèn)題。 USB物理層只包含4條線(xiàn)：兩條向外設提供5V電源和地，另外兩條(D+和D-)構成可傳遞差分數據的雙絞線(xiàn)對(圖1)。這些線(xiàn)也可傳遞單端數據以及用無(wú)源電阻實(shí)現的空閑狀態(tài)。當設備連接到總線(xiàn)上時(shí)，無(wú)源電阻結構中的電流對傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無(wú)驅動(dòng)的空閑狀態(tài)。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時(shí)鐘同步位、數據類(lèi)型標識符、設備地址、數據有效載荷及包尾序列。 串行接口引擎(SIE)在電纜的兩端對這個(gè)復雜的數據結構進(jìn)行控制，這個(gè)專(zhuān)用控制器(或作為更大控制器的一部分)實(shí)現USB協(xié)議，通常內置USB收發(fā)器硬件。當某個(gè)外設首次連接到電纜上時(shí)，SIE在 枚舉,2 期間向宿主計算機提供外設的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE把所有數據按照要求的傳輸類(lèi)型格式化,并提供錯誤檢查和自動(dòng)故障處理。SIE處理總線(xiàn)上的所有控制流，并按需要使能和禁用線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器。主機啟動(dòng)所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規定的數據序列在主機和外設之間交換數據，包括數據損壞和出現其它故障的情況。SIE可以?xún)冉ㄔ谖⑻幚砥髦�，因此它可能只有D+和D-線(xiàn)與外設相連。實(shí)現這個(gè)總線(xiàn)的隔離面臨幾個(gè)挑戰： 隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線(xiàn)是雙向的。SIE不提供確定數據傳輸方向的外部方式。隔離器必須與無(wú)源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側的電路匹配。隔離USB的典型方法主要是設法回避上述挑戰。 第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設備完全分離(圖2)。許多設備可把其它通用的串行總線(xiàn)與USB連接;圖2中顯示了RS-232與USB的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能;隔離是在低速串行線(xiàn)中實(shí)現的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢，所實(shí)現的是一個(gè)可熱插拔的串行端口。接口芯片可通過(guò)改變固件來(lái)實(shí)現定制，以識別外設，從而允許創(chuàng )建定制的驅動(dòng)程序;但每個(gè)外設可能都需要一個(gè)定制的適配器。除非該適配器是永久連在這個(gè)外設上，否則這將是維修人員的噩夢(mèng)。此外，接口的速度將被限制在標準RS-232的速度，甚至遠低于低速USB的吞吐量。 第二種方法：使用帶有易隔離接口的獨立SIE(圖3)。市場(chǎng)上有幾種產(chǎn)品(如SPI)使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數字隔離器(如ADuM1401C 四通道數字隔離器)可對SPI總線(xiàn)實(shí)現完全隔離。由于SIE包含可通過(guò)SPI總線(xiàn)填充的緩沖存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴(lài)于USB的速度。SIE將與USB主機協(xié)商其可能的最高連接速度，并以協(xié)商得出的總線(xiàn)速度分發(fā)數據，直到把緩沖中的數據傳遞完。此時(shí)，SIE會(huì )通知主機如果有更多的數據需要傳送則重試，并留出時(shí)間使SPI接口可為下一個(gè)傳輸循環(huán)重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設驅動(dòng)程序，并忽視內置在外設的微處理器中的USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。 第三種方法：直接在D+和D-線(xiàn)線(xiàn)中插入隔離(圖5)。這種方式允許在現有的USB應用中添加D+/D-隔離，而無(wú)需重寫(xiě)驅動(dòng)程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但是，D+和D-線(xiàn)的隔離較為復雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運行不應要求額外的設備驅動(dòng)程序相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。 4通道全速/低速 USB 數字隔離器ADUM4160BRWZ-RL監視總線(xiàn)的上游和下游部分，等待來(lái)自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時(shí)，則對信號進(jìn)行編碼并傳過(guò)隔離阻障。這些數據被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅動(dòng)器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開(kāi)始，由于數據流的方向已得到確認，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續收到數據，隔離器就沿相同的方向繼續傳輸數據。當USB數據包結束時(shí)，ADuM4160傳輸特殊的數據——包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應包含在任何數據結構中。ADuM4160可以區分有效數據和包尾標識。包尾標識通知總線(xiàn)返回空閑狀態(tài)。然后，ADuM4160禁用輸出驅動(dòng)器，并開(kāi)始監視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數據傳輸的方向。 此外，當發(fā)生總線(xiàn)錯誤時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器將使ADuM4160返回空閑狀態(tài)。ADuM4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是iCoupler技術(shù)的核心能力之一。 隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側支持一個(gè)獨立的USB總線(xiàn)段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當在總線(xiàn)上有某個(gè)設備需要進(jìn)入初始化序列(稱(chēng)為枚舉)時(shí)，上拉電阻發(fā)出信號。知道外設的工作速度以及何時(shí)應連接上拉電阻，使枚舉過(guò)程以受控的方式啟動(dòng)。有幾個(gè)因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設計保證對所有給定的電源組合給出可預測的操作。有時(shí)，如外設需在開(kāi)始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話(huà)，外設要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側提供了一個(gè)控制引腳以便由外設來(lái)決定何時(shí)開(kāi)始枚舉。 該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設僅需一個(gè)電源。ADuM4160還具有良好的ESD保護能力，通常允許在連接器的D+和D-引腳沒(méi)有外部保護電路的情況下熱插拔。 ADuM4160可按以下三種方式之一使用： 安裝在外設中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個(gè)配置為基礎應用設計的，該設計極大地簡(jiǎn)化了電源和控制配置(如下圖)�？捎脕�(lái)隔離集線(xiàn)器以及集線(xiàn)器所有的下游外設�？捎糜诟綦x電纜。 下面的示例給出了ADuM4160在這些應用中的連接方法。 在作為集線(xiàn)器隔離器使用時(shí)，ADuM4160把集線(xiàn)器作為外設來(lái)對待(圖8)。ADuM4160設置為全速，其它部分與上面討論的標準外設類(lèi)似。在A(yíng)DuM4160的chirp功能干預下，集線(xiàn)器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線(xiàn)器芯片都可以連接到低速和全速設備的各種組合。集線(xiàn)器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動(dòng)或延遲啟動(dòng)的方式進(jìn)行。集線(xiàn)器要求提供的能量通常高于上游電纜通過(guò)隔離型DC/DC轉換器供電的能力。 驅動(dòng)隔離的USB電纜(圖9)需使用DC/DC轉換器為下游端口和電纜供電。為了滿(mǎn)足USB規范的要求，電纜的下游部分必須向外設的上拉電路提供5V電源�？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉換器可以用于提供這個(gè)電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower®器件的使用方法4 。在這個(gè)應用中，ADuM4160以硬連線(xiàn)連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個(gè)USB速度運行，要切換速度模式須重新接線(xiàn)或通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)以手動(dòng)方式切換或采用更復雜的電路，這依賴(lài)于末端用戶(hù)的需求。 ADuM4160是一款USB端口隔離器。它將高速CMOS工藝與單片空芯變壓器技術(shù)相結合，可提供優(yōu)異的工作性能，并且很容易與低速和全速USB兼容外設集成。許多微控制器實(shí)施的USB只向外部引腳提供D+和D−線(xiàn)路。這在許多情況下都符合需求，因為它僅需極少的外部器件，并簡(jiǎn)化了設計；不過(guò)，當需要隔離時(shí)，這會(huì )帶來(lái)難題。USB線(xiàn)路必須自動(dòng)在主動(dòng)驅動(dòng)D+/D−、接收數據與允許外部電阻設置總線(xiàn)空閑狀態(tài)之間切換。ADuM4160結構既可以檢測數據流向，同時(shí)能夠控制輸出緩沖的狀態(tài)。數據流向根據一個(gè)個(gè)分組確定。ADuM4160將基于邊沿檢測的iCoupler技術(shù)與內部邏輯結合使用，可實(shí)現透明、易于配置、面對上游的端口隔離器。隔離上游端口具有電路簡(jiǎn)單、電源管理和操作穩健等多種優(yōu)勢。這款隔離器的傳播延遲與標準集線(xiàn)器和電纜的傳播延遲相當。它可以采用任一側的3.1 V至5.5 V電源電壓供電，并能在內部將該電壓調節至信號電平，從而與VBUS直接相連。ADuM4160對上拉電阻進(jìn)行隔離控制，以便外設能控制連接時(shí)序。該器件的空閑電流較低；需要掛起模式。 優(yōu)勢特點(diǎn)：
應用： USB外設隔離 隔離式USB集線(xiàn)器 |
