在工業(yè)聯(lián)網(wǎng)控制、電源調(diào)整和計(jì)算機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)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(jìn)行電流隔離，以斷開接地回路，保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，并減少信號(hào)失真。
隔離
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(diǎn)之間流動(dòng)，同時(shí)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(gè)接地路徑的任何系統(tǒng)中發(fā)生。用長(zhǎng)電纜隔開的系統(tǒng)接地將不會(huì)處于相同的電位，因此接地電流將在兩個(gè)系統(tǒng)之間流動(dòng)。如果沒有隔離，該電流可能會(huì)引入噪聲，降低測(cè)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(dòng)，但阻止電流流動(dòng)
通過電機(jī)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(zhǎng)電纜中的電流會(huì)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(shí)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)期望的邏輯電平切換信號(hào)將相對(duì)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(huì)破壞信號(hào)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(hù)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(hào)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(hào)隔離。
耦合器技術(shù)
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(jí)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(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間的接口。晶圓級(jí)處理提供了一種在單個(gè)封裝中集成多個(gè)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(shí)間和溫度變化);減少多達(dá)90%的功耗;無需外部驅(qū)動(dòng)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(jí)側(cè)的電路檢測(cè)到它們并重新創(chuàng)建輸入信號(hào)，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(duì)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?yàn)閕耦合器產(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(dú)的芯片中。變壓器本身可以放在任何一個(gè)芯片上，也可以放在第三個(gè)芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個(gè)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(xiàng)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(hào)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。
串行通訊總線
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(hào)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(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的通信。它的簡(jiǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)，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(hào)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(shí)用電纜長(zhǎng)度限制為約16米。RS-232指定邏輯1的驅(qū)動(dòng)器輸出電平為–5 V至–15
V，邏輯0的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)的電纜接收有效的信號(hào)電平。
RS-232規(guī)范定義了具有20條信號(hào)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(hào)線的9針連接器，如圖5所示。每個(gè)方向使用一條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;其余線路指定用于通信協(xié)議。最簡(jiǎn)單的說，RS-232只需三條線即可實(shí)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(hù)性接地。此線通常連接到電源接地或機(jī)箱接地，不應(yīng)連接到信號(hào)接地或系統(tǒng)之間。
圖5. 8信號(hào)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(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器傳統(tǒng)的遺產(chǎn)。現(xiàn)在，這些術(shù)語(yǔ)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(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)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?yàn)閕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(jiǎn)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(hù)。
圖6. 5信號(hào)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(dòng)多達(dá)32對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器。它的多功能性和驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)距離的互連系統(tǒng)中。在小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)和PROFIBUS協(xié)議都采用RS-485通信。
可用的電纜長(zhǎng)度取決于數(shù)據(jù)速度要求，速度/長(zhǎng)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(hào)，RS-485驅(qū)動(dòng)器通過兩條輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過比較兩個(gè)信號(hào)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(dòng)器和接收器中的差分放大器控制信號(hào)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(gè)使功能允許司機(jī)被置于高阻抗?fàn)顟B(tài);
因此，多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以共享一條總線而無爭(zhēng)用。該軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，始終使除一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序之外的所有驅(qū)動(dòng)程序保持不活動(dòng)狀態(tài)，并允許多達(dá)32個(gè)驅(qū)動(dòng)程序共享線路。半雙工2線雙向配置如圖7所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，所有驅(qū)動(dòng)器和接收器共享同一根2線雙絞線電纜。盡管這簡(jiǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)用作主節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)用作從節(jié)點(diǎn))更復(fù)雜，但可提供更高的數(shù)據(jù)速率。
圖7. 2線，多點(diǎn)，半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)
由于RS-485通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)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(gè)是將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)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(hù)，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(gè)節(jié)點(diǎn)，最大電纜長(zhǎng)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(yàn)(CRC)字段和確認(rèn)字段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)主要的消息開始(SOM)位在每個(gè)消息的開頭。其他節(jié)點(diǎn)將看到此活動(dòng)，并且在消息完成之前不會(huì)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(shí)符，此字段對(duì)在總線上發(fā)送的消息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)始終控制總線，而較低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)等待。這種無損仲裁可確保始終通過最高優(yōu)先級(jí)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(duì)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(hào)。當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的信號(hào)，該信號(hào)代表邏輯低電平。當(dāng)沒有發(fā)送器被驅(qū)動(dòng)時(shí)，上拉電阻將總線設(shè)置為V CC /
2，產(chǎn)生隱性信號(hào)，該信號(hào)表示邏輯高電平。一個(gè)備用控制使收發(fā)器進(jìn)入低功耗模式。低功耗接收器在待機(jī)模式下保持活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)視總線狀態(tài)變化，并在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)發(fā)信號(hào)通知控制器激活本地節(jié)點(diǎn)。
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?yàn)閕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(jiǎn)單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)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(hù)，防止電涌損壞。
邊導(dǎo)航小人-20241112090825.png)
