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数字隔离器可以保护RS232/RS485/CAN总线吗?

2020-10-27

　　在工业联网控制、电源调整和计算机之间的点对点通信应用中，串行通信总线上发送各种类型的物理网络的数据，如RS232、RS485和控制器区域网络。每个互连的系统通常都有自己的电源，并且系统之间通常相距很远，因此通常需要进行电流隔离，以断开接地回路，保护系统免受高压瞬变的影响，并减少信号失真。

　　隔离

　　变压器、耦合电容器、光耦合器(现在称为i耦合器)是提供电流隔离的典型方法，可以阻止电流在两点之间流动，同时允许数据不受阻碍地通过(图1)。隔离用于防止线路浪涌或接地回路引起的高电压或电流，这种情况可能在具有多个接地路径的任何系统中发生。用长电缆隔开的系统接地将不会处于相同的电位，因此接地电流将在两个系统之间流动。如果没有隔离，该电流可能会引入噪声，降低测量质量甚至破坏系统组件。

图1.电流隔离允许信息流动，但阻止电流流动

　　通过电机的开，关，静电放电(ESD)或附近的雷击感应耦合到工业环境中的长电缆中的电流会导致接地电位快速变化，通常高达几百或几千伏。发生这种情况时，远程系统期望的逻辑电平切换信号将相对于其本地接地叠加在高电压上。如果没有隔离，该电压可能会破坏信号或损坏系统。将连接到总线的所有设备接地都可以保护系统免受这种破坏性能量的影响，并且隔离这些设备可以防止接地环路和电涌。

　　为了完全隔离系统，必须隔离所有信号线和电源。隔离的DC-DC转换器可提供电源隔离，而i Coupler数字隔离器可提供信号隔离。

　　耦合器技术

　　ED和光电耦合器中使用的光电二极管相比，耦合器隔离器是基于芯片级变压器磁耦合器(图2)。平面变压器使用CMOS金属层以及在钝化层上方放置的金层。金层下面的高击穿聚酰亚胺层将顶部变压器线圈与底部隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路提供了每个变压器及其外部信号之间的接口。晶圆级处理提供了一种在单个封装中集成多个隔离通道以及其他半导体功能的低成本方法。一世耦合器技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传输比，非线性传递函数以及漂移(随时间和温度变化);减少多达90%的功耗;无需外部驱动器或分立设备。

图2. 耦合器横截面

　　变压器原边的电路将输入逻辑转换编码为1 ns的脉冲，然后通过变压器耦合。如图3所示，次级侧的电路检测到它们并重新创建输入信号，即使没有输入跳变，输入侧的刷新电路也可确保输出状态与输入状态匹配。这对于上电情况以及低数据速率或恒定直流输入的输入波形很关键。

　图3.在 Coupler的输出上重新创建数字输入

　　因为i耦合器产品的目的是将输入与输出隔离，所以变压器一侧的电路必须与变压器第二侧的电路包含在单独的芯片中。变压器本身可以放在任何一个芯片上，也可以放在第三个芯片上，如图4所示的ADuM140x。整个芯片组组装在标准塑料封装中，类似于用于各种半导体器件的封装。

　　图4. ADuM140x 4通道隔离器结构。

　　i Coupler设备的一项新颖功能是它们能够在同一封装中组合发送和接收通道。在我耦合变压器本身是双向的，所以信号可以在任一方向，只要通过如适当的电路存在于变压器的每一侧。以这种方式，为多通道隔离器提供了多种发送/接收通道配置。

　　串行通讯总线

　　RS-232(EIA232)和RS-485(EIA / TIA485)规范仅定义了物理层，从而允许客戶或指定在物理层中使用它们的其他标准定义信号协议。另一方面，CAN总线定义了物理层和数据链路层。

　　RS-232： RS-232总线标准是最流行的串行通信总线之一，最初于1962年被指定用于计算机和调制解调器之间的通信。它的简单性，灵活性和成功使用的悠久历史仍被广泛用作系统间通信链接，这是其连续流行的原因。它专为点对点通信而设计，它使用两条专用的不平衡单端线路以及以地面为参考的信号来提供全双工通信。

　　数据速率限制为20 kbps，或者在低压变化中限制为64 kbps。2500-pF最大负载电容和3kohm至7kohm的负载阻抗将最大实用电缆长度限制为约16米。RS-232指定逻辑1的驱动器输出电平为–5 V至–15 V，逻辑0的驱动器输出电平为+5 V至+15 V，逻辑1的接收器输入电平为–3 V至–15 V，而逻辑3则为+3V。逻辑0为+15V。–3 V至+3 V之间的电压不确定。宽的电压摆幅和不确定的区域确保了较高的抗噪能力，并允许通过较长的电缆接收有效的信号电平。

　　RS-232规范定义了具有20条信号线的25针D型连接器的引脚排列，但更常见的是具有8条信号线的9针连接器，如图5所示。每个方向使用一条线进行数据传输;其余线路指定用于通信协议。最简单的说，RS-232只需三条线即可实现：Tx(发送数据)，Rx(接收数据)和GND(地)。25针连接器中定义了用于设备安全的保护性接地。此线通常连接到电源接地或机箱接地，不应连接到信号接地或系统之间。

　　图5. 8信号RS-232网络配置

　　RS-232标准将设备分为两类：DCE(数据通信设备)和DTE(数据终端设备)。这些名称是其计算机和调制解调器传统的遗产。现在，这些术语仅定义了哪些线作为输入连接，哪些线作为输出连接。

　　RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统与总线之间的隔离至关关键。数字隔离器不支持RS232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;而是在收发器和本地系统之间使用它们。收发器的系统端通常使用0 V至3 V或0 V至5 V逻辑电平连接到通用异步接收器/发送器(UART)或处理器。因为i的输入和输出电路耦合器隔离器彼此电气隔离，可以将其放置在UART和收发器之间，这是将系统与电缆隔离的一种简单方法。为了完成隔离，使用隔离的DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。所述的组合ADuM1402 我耦合器数字隔离器，ADM232L RS-232收发器，和隔离电源，如图6所示，幸免了接地环路，并提供防止浪涌破坏的有效保护。

图6. 5信号隔离的RS-232电路(图示为DTE侧)

　　RS-485： RS-485标准被指定为驱动多达32对驱动器和接收器。它的多功能性和驱动4000米电缆的能力使其在广泛的应用中广受欢迎，尤其是在很长距离的互连系统中。在小型计算机系统接口(SCSI)和PROFIBUS协议都采用RS-485通信。

　　可用的电缆长度取决于数据速度要求，速度/长度组合的范围从1200米的200 kbps到100米的12 Mbps。使用平衡的差分信号，RS-485驱动器通过两条输出线发送数据。接收器通过比较两个信号来确定逻辑状态。大于200 mV的压差可提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器控制信号线之间的电流。与诸如RS-232的单端规划相比，它具有较高的抗噪能力。

　　一个使功能允许司机被置于高阻抗状态; 因此，多个驱动程序可以共享一条总线而无争用。该软件协议定义了总线仲裁程序，始终使除一个驱动程序之外的所有驱动程序保持不活动状态，并允许多达32个驱动程序共享线路。半双工2线双向配置如图7所示。每个节点包含一个驱动器和接收器，所有驱动器和接收器共享同一根2线双绞线电缆。尽管这简化了安装并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4线全双工配置(将一个节点用作主节点，其余节点用作从节点)更复杂，但可提供更高的数据速率。

图7. 2线，多点，半双工RS-485网络

　　由于RS-485通常用于连接多个系统，因此每个系统与总线之间的隔离至关关键。与RS-232一样，数字隔离器也不支持RS-485标准，因此不能在收发器和电缆之间使用。而是在收发器和本地系统之间使用它们。收发器的系统端通常连接到本地总线或处理器。由于i耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电气隔离，因此在处理器和收发器之间插入一个是将系统与电缆隔离的简单方法。为了完成隔离，使用隔离的DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。ADuM1301 i的组合图8所示的耦合器数字隔离器和隔离式电源消除了接地环路，并提供了有效的保护，以防电涌损坏。

图8.隔离的RS-485电路

图9. ADM2486隔离式RS-485收发器

　　CAN总线： CAN总线标准最初是为汽车应用开发的，它指定了2线串行通信协议，该协议允许的数据速率高达1 Mbps，最多30个节点，最大电缆长度为40米。它以帧的形式传输异步数据，这些帧包含开始和停止位，仲裁字段，控制字段，循环冗余校验(CRC)字段和确认字段。每个节点可以同时侦听和传输，因此该协议最关键的功能之一是其无损位仲裁，可确保没有数据丢失。每个节点传输一个首要的消息开始(SOM)位在每个消息的开头。其他节点将看到此活动，并且在消息完成之前不会尝试开始传输。接下来，发送11位或29位仲裁字段。也称为标识符，此字段对在总线上发送的消息进行优先级排序。最高优先级的节点始终控制总线，而较低优先级的节点等待。这种无损仲裁可确保始终通过最高优先级的消息。

　　如图10所示，CAN总线使用平衡的2线差分接口，通常工作在3 V或5V。采用非归零(NRZ)编码，以最小的数量确保紧凑的消息。过渡和高抗噪性。CAN总线收发器使用一对漏极开路设备来创建CANH(V CC – 0.9 V)到CANL(1.5 V)的差分信号。当被驱动时，发射器产生占优势的信号，该信号代表逻辑低电平。当没有发送器被驱动时，上拉电阻将总线设置为V CC / 2，产生隐性信号，该信号表示逻辑高电平。一个备用控制使收发器进入低功耗模式。低功耗接收器在待机模式下保持活动状态，监视总线状态变化，并在检测到活动时发信号通知控制器激活本地节点。

图10. CAN总线网络

　　与RS-232和RS-485一样，数字隔离器也不支持CAN总线标准，因此不能在收发器和电缆之间使用。而是使用标准的3V或5V逻辑电平在收发器和本地CAN控制器之间使用它们。因为i耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电气隔离，所以将系统与电缆隔离的一种简单方法是在处理器和收发器之间插入一个隔离器。为了完成隔离，使用隔离的DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。i耦合器数字隔离器和隔离电源的组合(如图11所示)消除了接地环路，并提供了有效的保护，防止电涌损坏。

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