作為與外圍設備串行通信的標準，USB如今無處不在。然而，在許多情況下，工業(yè)設備仍然依賴于舊標準的RS-232進行調(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)點工業(yè)網(wǎng)絡或現(xiàn)場總線協(xié)議使用的物理層標準。因此，用于調(diào)試或監(jiān)視的工具（例如只有用于串行通信的 USB 的筆記本電腦）上的可用接口與可能僅公開 RS-232、RS-422 或 RS-485 接口的工業(yè)設備之間可能存在不匹配。

除了任何USB到UART轉(zhuǎn)換所需的硬件接口外，電氣隔離是測試或監(jiān)控設備之間的任何接口電路以及在電氣惡劣環(huán)境中可能活躍使用的工業(yè)設備的功能和潛在安全要求。ADI公司的接口i耦合器和iso電源隔離技術的組合，集成在各種IC中，為彌合USB和傳統(tǒng)工業(yè)接口之間的差距提供了簡單的解決方案。

為什么使用電流隔離？

與工業(yè)設備接口時，避免干擾這些系統(tǒng)的運行至關重要。電流隔離可防止任何電流流動，同時允許數(shù)據(jù)傳輸，從而保護被測單元和調(diào)試單元。連接調(diào)試控制臺（如筆記本電腦）時，有幾個明顯的危險，如圖 1 所示。

圖1.潛在的電氣危險。

如果調(diào)試設備接地，接地電位的差異會導致環(huán)路電流

如果調(diào)試設備未接地，靜電會排放到被測單元中

由于電機和繼電器的開關噪聲，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上可能會出現(xiàn)危險電壓

某些基本的診斷設備（如筆記本電腦）可能沒有與工業(yè)設備相同的嚴格接口保護級別。

在USB到UART接口中，有兩種可能性：可以隔離USB接口或隔離UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。理論上，兩者都可以隔離，以保護接口模塊本身不受任何設備的影響，或者提供與串聯(lián)的兩個基本隔離接口的安全隔離。

使用i耦合器數(shù)字隔離器進行隔離

與光耦合器相比，采用i耦合器技術的數(shù)字隔離器具有高水平的電流隔離魯棒性，具有更高的可靠性和更低的功耗要求。與非隔離解決方案相比，其他IC功能（如收發(fā)器）可以集成到單芯片解決方案中，需要稍微增加PCB面積。這對于隔離RS-232或RS-485接口特別有利，在這些接口中，已經(jīng)需要IC以適當?shù)碾妷喊l(fā)送和接收。

對于USB，兩個信號D+和D?需要透明隔離或具有自定義軟件驅(qū)動程序，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封裝中實現(xiàn)這一點。隔離器的一側(cè)通過USB電纜提供電源，因此隔離側(cè)也應提供類似的電源。ADuM5000在單個寬體SOIC中提供隔離電源，采用集成isoPower芯片級變壓器實現(xiàn)隔離電源。如果需要額外的功率水平，可以使用外部變壓器和整流器，這需要變壓器驅(qū)動器和次級穩(wěn)壓器，它們組合在ADuM3070中。

為了隔離RS-232，需要隔離發(fā)送（Tx）和接收（Rx）信號以及一些控制信號（RTS和CTS）。但是，除了UART的TTL接口外，還需要RS-232收發(fā)器將這些信號轉(zhuǎn)換為RS-232電壓電平。還需要一個隔離電源為隔離器的收發(fā)器和收發(fā)器側(cè)供電。如圖2所示，ADM3252E集成了所有三個組件（信號隔離、收發(fā)器和隔離電源），從而形成單個BGA占板面積，以提供完整的隔離式RS-232接口。

圖2.ADM3252E原理框圖

RS-485還需要一個收發(fā)器與2線總線（A和B）或4線總線（A、B、Y和Z）接口。要隔離的信號包括發(fā)射 （TxD）、接收 （RxD）、驅(qū)動器使能 （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，包括為器件收發(fā)器側(cè)供電所需的集成isoPowerDC-DC轉(zhuǎn)換器。收發(fā)器也可用于RS-422通信。

圖3.ADM2587E原理框圖

隔離式USB轉(zhuǎn)工業(yè)串行接口選項

為了與工業(yè)設備上的串行端口接口，RS-232、RS-422或RS-485收發(fā)器必須與USB轉(zhuǎn)UART芯片（如FTDI FT2232H）結合使用。隔離可以在多個串行接口上單獨提供，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。這樣做的優(yōu)點是將兩個端口彼此隔離，從而減少了連接到兩個工業(yè)設備時的潛在危險。此外，無需單獨的隔離電源，因為接口側(cè)電源在ADM3252E和ADM2587E中均采用isoPower技術在內(nèi)部生成。

或者，可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔離器輕松地將隔離定位在單個點上。這意味著可以使用標準串行接口IC。但是，這些端口不是單獨隔離的，需要隔離電源解決方案（如ADuM3070）為USB至UART芯片、收發(fā)器和USB隔離器的下游側(cè)供電。

這兩種方法都在參考電路CN-0373的單個板上演示，如圖4所示。它結合了ADuM3160隔離USB接口，ADuM3070為電路板（包括USB轉(zhuǎn)UART芯片）提供隔離電源，ADM3252E/ADM2587E分別隔離RS-232、RS-422和RS-485接口。

圖4.USB 到 UART。

結論

電流隔離是工業(yè)環(huán)境中設備接口的重要組成部分。采用i耦合器技術的數(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)應用提供完全隔離的USB到串行實現(xiàn)。為了說明此應用的可能隔離解決方案，ADI公司提供了電路筆記CN-0373：隔離式USB轉(zhuǎn)隔離式RS-485/隔離式RS-232接口。這在USB接口以及RS-232和RS-485端口上完全隔離了USB到UART芯片，從而可以全面測試和演示所提供的魯棒性。

審核編輯：郭婷