在工業(yè)聯(lián)網(wǎng)控制、電源調(diào)整和計算機之間的點對點通信應(yīng)用中，串行通信總線上發(fā)送各種類型的物理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，如RS232、RS485和控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。每個互連的系統(tǒng)通常都有自己的電源，并且系統(tǒng)之間通常相距很遠(yuǎn)，因此通常需要進行電流隔離，以斷開接地回路，保護系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，并減少信號失真。
變壓器、耦合電容器、光耦合器(現(xiàn)在稱為i耦合器)是提供電流隔離的典型方法，可以阻止電流在兩點之間流動，同時允許數(shù)據(jù)不受阻礙地通過(圖1)。隔離用于防止線路浪涌或接地回路引起的高電壓或電流，這種情況可能在具有多個接地路徑的任何系統(tǒng)中發(fā)生。用長電纜隔開的系統(tǒng)接地將不會處于相同的電位，因此接地電流將在兩個系統(tǒng)之間流動。如果沒有隔離，該電流可能會引入噪聲，降低測量質(zhì)量甚至破壞系統(tǒng)組件。
圖1.電流隔離允許信息流動，但阻止電流流動
通過電機的開，關(guān)，靜電放電(ESD)或附近的雷擊感應(yīng)耦合到工業(yè)環(huán)境中的長電纜中的電流會導(dǎo)致接地電位快速變化，通常高達(dá)幾百或幾千伏。發(fā)生這種情況時，遠(yuǎn)程系統(tǒng)期望的邏輯電平切換信號將相對于其本地接地疊加在高電壓上。如果沒有隔離，該電壓可能會破壞信號或損壞系統(tǒng)。將連接到總線的所有設(shè)備接地都可以保護系統(tǒng)免受這種破壞性能量的影響，并且隔離這些設(shè)備可以防止接地環(huán)路和電涌。
為了完全隔離系統(tǒng)，必須隔離所有信號線和電源。隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供電源隔離，而i Coupler數(shù)字隔離器可提供信號隔離。
ED和光電耦合器中使用的光電二極管相比，耦合器隔離器是基于芯片級變壓器磁耦合器(圖2)。平面變壓器使用CMOS金屬層以及在鈍化層上方放置的金層。金層下面的高擊穿聚酰亞胺層將頂部變壓器線圈與底部隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供了每個變壓器及其外部信號之間的接口。晶圓級處理提供了一種在單個封裝中集成多個隔離通道以及其他半導(dǎo)體功能的低成本方法。一世耦合器技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳輸比，非線性傳遞函數(shù)以及漂移(隨時間和溫度變化);減少多達(dá)90%的功耗;無需外部驅(qū)動器或分立設(shè)備。
圖2. 耦合器橫截面
變壓器原邊的電路將輸入邏輯轉(zhuǎn)換編碼為1 ns的脈沖，然后通過變壓器耦合。如圖3所示，次級側(cè)的電路檢測到它們并重新創(chuàng)建輸入信號，即使沒有輸入跳變，輸入側(cè)的刷新電路也可確保輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)匹配。這對于上電情況以及低數(shù)據(jù)速率或恒定直流輸入的輸入波形很重要。
圖3.在 Coupler的輸出上重新創(chuàng)建數(shù)字輸入
因為i耦合器產(chǎn)品的目的是將輸入與輸出隔離，所以變壓器一側(cè)的電路必須與變壓器第二側(cè)的電路包含在單獨的芯片中。變壓器本身可以放在任何一個芯片上，也可以放在第三個芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個芯片組組裝在標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝中，類似于用于各種半導(dǎo)體器件的封裝。
圖4. ADuM140x 4通道隔離器結(jié)構(gòu)。
i Coupler設(shè)備的一項新穎功能是它們能夠在同一封裝中組合發(fā)送和接收通道。在我耦合變壓器本身是雙向的，所以信號可以在任一方向，只要通過如適當(dāng)?shù)碾娐反嬖谟谧儔浩鞯拿恳粋?cè)。以這種方式，為多通道隔離器提供了多種發(fā)送/接收通道配置。
RS-232(EIA232)和RS-485(EIA / TIA485)規(guī)范僅定義了物理層，從而允許用戶或指定在物理層中使用它們的其他標(biāo)準(zhǔn)定義信號協(xié)議。另一方面，CAN總線定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
RS-232： RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是最流行的串行通信總線之一，最初于1962年被指定用于計算機和調(diào)制解調(diào)器之間的通信。它的簡單性，靈活性和成功使用的悠久歷史仍被廣泛用作系統(tǒng)間通信鏈接，這是其持續(xù)流行的原因。它專為點對點通信而設(shè)計，它使用兩條專用的不平衡單端線路以及以地面為參考的信號來提供全雙工通信。
數(shù)據(jù)速率限制為20 kbps，或者在低壓變化中限制為64 kbps。2500-pF最大負(fù)載電容和3kohm至7kohm的負(fù)載阻抗將最大實用電纜長度限制為約16米。RS-232指定邏輯1的驅(qū)動器輸出電平為–5 V至–15 V，邏輯0的驅(qū)動器輸出電平為+5 V至+15 V，邏輯1的接收器輸入電平為–3 V至–15 V，而邏輯3則為+3V。邏輯0為+15V。–3 V至+3 V之間的電壓不確定。寬的電壓擺幅和不確定的區(qū)域確保了較高的抗噪能力，并允許通過較長的電纜接收有效的信號電平。
RS-232規(guī)范定義了具有20條信號線的25針D型連接器的引腳排列，但更常見的是具有8條信號線的9針連接器，如圖5所示。每個方向使用一條線進行數(shù)據(jù)傳輸;其余線路指定用于通信協(xié)議。最簡單的說，RS-232只需三條線即可實現(xiàn)：Tx(發(fā)送數(shù)據(jù))，Rx(接收數(shù)據(jù))和GND(地)。25針連接器中定義了用于設(shè)備安全的保護性接地。此線通常連接到電源接地或機箱接地，不應(yīng)連接到信號接地或系統(tǒng)之間。
圖5. 8信號RS-232網(wǎng)絡(luò)配置
RS-232標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為兩類：DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)和DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備)。這些名稱是其計算機和調(diào)制解調(diào)器傳統(tǒng)的遺產(chǎn)?，F(xiàn)在，這些術(shù)語僅定義了哪些線作為輸入連接，哪些線作為輸出連接。
RS-232通常用于連接多個系統(tǒng)，因此每個系統(tǒng)與總線之間的隔離至關(guān)重要。數(shù)字隔離器不支持RS232標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;而是在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用它們。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平連接到通用異步接收器/發(fā)送器(UART)或處理器。因為i的輸入和輸出電路耦合器隔離器彼此電氣隔離，可以將其放置在UART和收發(fā)器之間，這是將系統(tǒng)與電纜隔離的一種簡單方法。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。所述的組合ADuM1402 我耦合器數(shù)字隔離器，ADM232L RS-232收發(fā)器，和隔離電源，如圖6所示，避免了接地環(huán)路，并提供防止浪涌破壞的有效保護。
圖6. 5信號隔離的RS-232電路(圖示為DTE側(cè))
RS-485： RS-485標(biāo)準(zhǔn)被指定為驅(qū)動多達(dá)32對驅(qū)動器和接收器。它的多功能性和驅(qū)動4000米電纜的能力使其在廣泛的應(yīng)用中廣受歡迎，尤其是在很長距離的互連系統(tǒng)中。在小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)和PROFIBUS協(xié)議都采用RS-485通信。
可用的電纜長度取決于數(shù)據(jù)速度要求，速度/長度組合的范圍從1200米的200 kbps到100米的12 Mbps。使用平衡的差分信號，RS-485驅(qū)動器通過兩條輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過比較兩個信號來確定邏輯狀態(tài)。大于200 mV的壓差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之間的電流。與諸如RS-232的單端方案相比，它具有較高的抗噪能力。
一個使功能允許司機被置于高阻抗?fàn)顟B(tài); 因此，多個驅(qū)動程序可以共享一條總線而無爭用。該軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，始終使除一個驅(qū)動程序之外的所有驅(qū)動程序保持不活動狀態(tài)，并允許多達(dá)32個驅(qū)動程序共享線路。半雙工2線雙向配置如圖7所示。每個節(jié)點包含一個驅(qū)動器和接收器，所有驅(qū)動器和接收器共享同一根2線雙絞線電纜。盡管這簡化了安裝并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4線全雙工配置(將一個節(jié)點用作主節(jié)點，其余節(jié)點用作從節(jié)點)更復(fù)雜，但可提供更高的數(shù)據(jù)速率。
圖7. 2線，多點，半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)
由于RS-485通常用于連接多個系統(tǒng)，因此每個系統(tǒng)與總線之間的隔離至關(guān)重要。與RS-232一樣，數(shù)字隔離器也不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用。而是在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用它們。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到本地總線或處理器。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此在處理器和收發(fā)器之間插入一個是將系統(tǒng)與電纜隔離的簡單方法。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301 i的組合圖8所示的耦合器數(shù)字隔離器和隔離式電源消除了接地環(huán)路，并提供了有效的保護，以防電涌損壞。
圖8.隔離的RS-485電路
圖9. ADM2486隔離式RS-485收發(fā)器
CAN總線： CAN總線標(biāo)準(zhǔn)最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，它指定了2線串行通信協(xié)議，該協(xié)議允許的數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Mbps，最多30個節(jié)點，最大電纜長度為40米。它以幀的形式傳輸異步數(shù)據(jù)，這些幀包括開始和停止位，仲裁字段，控制字段，循環(huán)冗余校驗(CRC)字段和確認(rèn)字段。每個節(jié)點可以同時偵聽和傳輸，因此該協(xié)議最重要的功能之一是其無損位仲裁，可確保沒有數(shù)據(jù)丟失。每個節(jié)點傳輸一個主要的消息開始(SOM)位在每個消息的開頭。其他節(jié)點將看到此活動，并且在消息完成之前不會嘗試開始傳輸。接下來，發(fā)送11位或29位仲裁字段。也稱為標(biāo)識符，此字段對在總線上發(fā)送的消息進行優(yōu)先級排序。最高優(yōu)先級的節(jié)點始終控制總線，而較低優(yōu)先級的節(jié)點等待。這種無損仲裁可確保始終通過最高優(yōu)先級的消息。
如圖10所示，CAN總線使用平衡的2線差分接口，通常工作在3 V或5V。采用非歸零(NRZ)編碼，以最小的數(shù)量確保緊湊的消息。過渡和高抗噪性。CAN總線收發(fā)器使用一對漏極開路設(shè)備來創(chuàng)建CANH(V CC – 0.9 V)到CANL(1.5 V)的差分信號。當(dāng)被驅(qū)動時，發(fā)射器產(chǎn)生占優(yōu)勢的信號，該信號代表邏輯低電平。當(dāng)沒有發(fā)送器被驅(qū)動時，上拉電阻將總線設(shè)置為V CC / 2，產(chǎn)生隱性信號，該信號表示邏輯高電平。一個備用控制使收發(fā)器進入低功耗模式。低功耗接收器在待機模式下保持活動狀態(tài)，監(jiān)視總線狀態(tài)變化，并在檢測到活動時發(fā)信號通知控制器激活本地節(jié)點。
圖10. CAN總線網(wǎng)絡(luò)
與RS-232和RS-485一樣，數(shù)字隔離器也不支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用。而是使用標(biāo)準(zhǔn)的3V或5V邏輯電平在收發(fā)器和本地CAN控制器之間使用它們。因為i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，所以將系統(tǒng)與電纜隔離的一種簡單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個隔離器。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。i耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源的組合(如圖11所示)消除了接地環(huán)路，并提供了有效的保護，防止電涌損壞。
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