隔離技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)接口中的應(yīng)用

　　1 隔離技術(shù)的簡介及應(yīng)用場合

　　在許多應(yīng)用中，數(shù)據(jù)鏈路之間需要(甚至是必要的)非直接的(導(dǎo)電)電連接，從而在提供數(shù)據(jù)的同時(shí)避免來自系統(tǒng)某一部分的危險(xiǎn)電壓(或電流)對(duì)其另一部分造成破壞。造成這種破壞性失效的可能是電源質(zhì)量低劣、接地故障、雷擊和浪涌等各種故障。此外，通信節(jié)點(diǎn)的間距可能相當(dāng)大，常常由不同接地區(qū)域的AC插座來給這些節(jié)點(diǎn)供電，這些接地區(qū)域之間的電位差(可能含有DC偏壓、50 Hz的AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲分量)也會(huì)造成破壞。

　　在工程實(shí)際使用中，經(jīng)常發(fā)生通過電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線連接在一起的情況，可能形成接地環(huán)路，且電流將流入該電纜。接地環(huán)路電流會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生嚴(yán)重影響(包括數(shù)據(jù)惡化、EMI過大、元件損壞)，當(dāng)電位差足夠大時(shí)，人體就有遭受電擊的可能。為了避免上述破壞，可引入非直接的(導(dǎo)電)電連接(稱作“隔離”)。進(jìn)行隔離是為了消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動(dòng)。隔離電路具有相對(duì)于其他電路元件極高的阻抗，從而“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路;斷開環(huán)路后，噪聲電壓將出現(xiàn)在隔離層上而非接收機(jī)或其他敏感組件上。隔離原理如圖1所示。

　　一般在兩種情況下會(huì)采用隔離技術(shù)：①有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的潛在電流浪涌，如醫(yī)療上的應(yīng)用、電機(jī)控制、交通戶外設(shè)備等方面;②存在不同電位的接地回路的互連。這兩種情況都是采用隔離來避免電流通過，而允許兩點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)或功率傳送。隔離普遍應(yīng)用于包含高壓、高速或高精度的通信、長距離通信的場合，常見的有工業(yè)輸入/輸出系統(tǒng)、接口方面、總線、電源、電機(jī)控制、儀器儀表等。

　　2 隔離技術(shù)的分類

　　當(dāng)前有3種通常的隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離(電感隔離)、電容隔離。此外，還有ADI公司的一項(xiàng)專利隔離技術(shù)，即磁耦(iCoupler)隔離技術(shù)。其中，光電隔離、電容隔離、磁耦隔離都屬于數(shù)字隔離，而電感隔離通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字隔離器件。

　　光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如空氣間隙)上的光傳輸，完成了電一光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光對(duì)外部電子或磁場內(nèi)在的抗干擾性強(qiáng)，而且光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。

　　變壓器隔離使用變壓器線圈來使傳輸信息通過隔離層，隔離前端的電流變化通過線圈引起隔離另一側(cè)的電流變化。Ac信號(hào)(例如以太網(wǎng))的隔離非常適合于變壓器耦合。變壓器隔離的優(yōu)點(diǎn)是速度高，而且可以給隔離端供電;缺點(diǎn)是易受外部磁場(噪聲)的干擾且變壓器的體積比較大。

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體，即隔離層。電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗，而對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制。磁耦隔離技術(shù)是ADI公司的一項(xiàng)專利隔離技術(shù)，它是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管結(jié)合。采用iCoupler技術(shù)的數(shù)字隔離器利用平面磁場專利隔離技術(shù)，并采用iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，同時(shí)不再需要驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點(diǎn)。

　　3 隔離技術(shù)的具體應(yīng)用

　　3.1 隔離技術(shù)在RS485/RS422中的應(yīng)用

　　RS485/RS422 作為強(qiáng)健的接口標(biāo)準(zhǔn)，采用雙絞線電纜連接并具有寬共模電壓范圍內(nèi)差分信號(hào)傳輸?shù)牡驮肼曬詈咸匦?，允許在高達(dá)10 Mbps的信號(hào)傳輸速率下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。盡管該標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受，但是它在實(shí)際應(yīng)用中的一些具體問題并沒有得到深入的認(rèn)識(shí)，甚至存在著種種誤區(qū)(比如接地、隔離及瞬態(tài)保護(hù)并沒有在實(shí)際使用中得到正確的應(yīng)用)，以至于影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，RS485/RS422通信大多采用圖2所示的3種方式。

　　對(duì)于圖2(a)的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過大，就可能超過接收器的輸入共模噪聲容限，從而造成器件損壞。圖2(b)中的設(shè)計(jì)方法對(duì)高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會(huì)形成很大的接地環(huán)路電流，對(duì)于通信不會(huì)有很大影響。但當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會(huì)在接地線上形成較大的環(huán)路電流，耦合到數(shù)據(jù)線中成為共模噪聲，影響正常通信。圖2(c)實(shí)際上是在接地線上加限流電阻限制干擾電流，但大地接地回路的存在使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)回路中其他地方產(chǎn)生的噪聲非常敏感。

　　總的來說，圖2(c)的方案比前兩種合適，但建立長距離數(shù)據(jù)鏈路的最可靠的方法是通過數(shù)字隔離方案來隔斷接地回路，其單節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　采用圖3所示方法時(shí)，總線收發(fā)器的信號(hào)線和電源線與本地信號(hào)和電源是相互隔離的。該設(shè)計(jì)有2個(gè)關(guān)鍵：

　?、倨涓綦x器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品的ADuM141x，也可以選用TI公司的IO72xx數(shù)字隔離器。其中IO72xx是數(shù)字電容性隔離工藝應(yīng)用的數(shù)字隔離器，接收數(shù)字輸入并產(chǎn)生干凈的數(shù)字輸出，同時(shí)防止源自輸入?yún)⒖嫉氐脑肼曤娏骷斑^電壓的干擾。

　?、谠擃惛綦x器件都具有雙電源、地，分別接系統(tǒng)內(nèi)部電源、地和通信接口芯片的電源、地，同時(shí)雙電源、地通過隔離型DC-DC變換器進(jìn)行隔離?；蛘呤褂肁DI 公司采用iCoupler技術(shù)的DC-DC隔離電源轉(zhuǎn)換器isoPower系列的ADuM524x來實(shí)現(xiàn)隔離部分和隔離型DC-DC部分的集成簡化方案，但需要注意的是ADuM5241的隔離電源的驅(qū)動(dòng)能力可能不夠。

　　圖4給出的是多個(gè)隔離型.RS485/RS422收發(fā)器組網(wǎng)的詳細(xì)連接。總線節(jié)點(diǎn)以菊花鏈或總線拓?fù)浞绞铰?lián)網(wǎng)，總線上每臺(tái)設(shè)備的工作地是不相連的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須通過很短的線頭連接到主線纜。RS485/RS422盡管是差分傳輸，但對(duì)RS485網(wǎng)絡(luò)來講一條低阻的信號(hào)地還是必不可少的。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路，這條信號(hào)地可以是額外的一對(duì)非屏蔽雙絞線或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。注意，無論怎么連接千萬不能形成工作地回路，否則將會(huì)形成很大的環(huán)路電流。特別要注意的是，如果使用了專門的低阻的信號(hào)地，再使用屏蔽層保護(hù)，就必須屏蔽層單端接某個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器的地，否則就會(huì)形成地回路。另外還要注意，所有收發(fā)器中除了一個(gè)以外其他均通過隔離連接到總線，圖4中唯一一個(gè)未隔離的收發(fā)器為整個(gè)總線接口提供單一地參考，噪聲環(huán)境下往往用2個(gè)RC低通濾波器替代120 Ω終端電阻，以增強(qiáng)對(duì)共模噪聲的濾波。2個(gè)濾波器的電阻值應(yīng)相等(最好采用精密電阻)，以確保2個(gè)濾波器具有相同的滾降頻率。

　　3.2 隔離技術(shù)在CAN總線中的應(yīng)用

　　CAN(控制區(qū)域網(wǎng))屬于串行通信總線，適用于強(qiáng)健的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，因此在工業(yè)、交通、控制、測量領(lǐng)域有極廣泛的應(yīng)用。如果單個(gè)CAN-bus節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致總線通信不良，甚至因?yàn)槭瞻l(fā)器電路而破壞整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。尤其CAN總線的工作場合經(jīng)常十分惡劣，在第1節(jié)中提及的任何不利因素均有可能出現(xiàn)在CAN-bus中，所以CAN-bus接地、隔離及瞬態(tài)保護(hù)是十分必要的。

　　在以往的設(shè)計(jì)中，一般可以采用2個(gè)高速光耦(6N137)實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，1個(gè)電源隔離模塊(+5 V轉(zhuǎn)+5 V)實(shí)現(xiàn)電源上的隔離，還需要計(jì)算電阻值的大小以搭建出合理的收發(fā)器隔離電路。需要注意的是，僅有高速光電耦合器，卻沒有電源上的隔離，此時(shí)的隔離將失去意義。由于這種方式存在著體積偏大、成本偏高的缺點(diǎn)，建議采用電容耦合技術(shù)或磁耦隔離技術(shù)。隔離型CAN-bus節(jié)點(diǎn)一般是由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)字隔離器件組成，具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)類似圖3所示。但需要注意的是，隔離措施是加在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間的，同時(shí)需要在CAN-bus總線上加總線保護(hù)器件。

　　CAN-bus的隔離原理與RS485/RS422相似，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理也相同，只是電器規(guī)定上有所不同。隔離器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品，隔離電壓為2 500 VRMS;也可以選用TI公司的1072xx數(shù)字隔離器，隔離電壓為4 000 V RMS。但是都需要隔離型DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)總線收發(fā)器的信號(hào)線和電源線與本地信號(hào)和電源的相互隔離。如果選用ADI公司的集成隔離電源(如 ADuM524x)，則需要考慮電源的驅(qū)動(dòng)能力。如果需要更加簡化電路設(shè)計(jì)，可以選用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的CTM系列模塊，該系列是集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護(hù)于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，同時(shí)也要考慮T系列的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)問題。

　　所有符合CAN2.O規(guī)范的節(jié)點(diǎn)可以連接在一起，構(gòu)成一個(gè)直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)終端各需要安裝一個(gè)120 Ω的終端電阻。如果選用屏蔽電纜線可以將屏蔽層單點(diǎn)接大地(不能形成環(huán)路)，也可以將屏蔽層通過耐高壓的電阻、電容單點(diǎn)接數(shù)字隔離器件的地引腳。

　　3.3 隔離技術(shù)在信號(hào)傳感器中的應(yīng)用

　　許多硬件設(shè)計(jì)任務(wù)主要圍繞如下方面展開：數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、輸入和輸出信號(hào)調(diào)理、輸入/輸出模塊的電氣連線、控制器之間以及模塊之間的隔離問題。各種傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)都傳送到一個(gè)中央控制器，進(jìn)行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，同時(shí)防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實(shí)現(xiàn)電流隔離。對(duì)于傳感器信號(hào)隔離，傳統(tǒng)的模擬隔離方案(如隔離放大器AD202)成本太高，可以采用數(shù)字隔離方案――AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本，如圖5所示。

　　數(shù)字隔離器用來將系統(tǒng)現(xiàn)場的ADC、DAC和信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字端的微處理器隔離開來。其中，需要隔離型DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)微處理器的信號(hào)線和電源線與ADC/DAC的信號(hào)和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI公司的iCoupler產(chǎn)品或TI公司的IO72xx數(shù)字隔離器。在滿足應(yīng)用需要的前提下，可以選用ADI公司集成3 750 V電壓隔離的ADC(AD7400)來減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

　　在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)端向現(xiàn)場端提供隔離的電源是另一個(gè)要面對(duì)的挑戰(zhàn)，而在這方面也涌現(xiàn)了新的解決方案。傳統(tǒng)上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術(shù)包括使用單獨(dú)的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設(shè)計(jì)及接口均較困難的分立器件。目前，一種更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案。這種方案可以通過微變壓器實(shí)現(xiàn)跨越隔離點(diǎn)的信號(hào)和電源傳輸，其供電能力達(dá)50 mw。例如isoPower系列產(chǎn)品ADuM524x可以提供高達(dá)2 500 V的信號(hào)和電源隔離度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統(tǒng)的總成本，減小了電路板面積，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　4 瞬態(tài)保護(hù)

　　在實(shí)際工程使用中，使用了上述數(shù)字隔離方案的系統(tǒng)可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動(dòng)，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內(nèi)部的破壞性傳播。但是盡管數(shù)字隔離器件以內(nèi)的電路系統(tǒng)沒有損壞，可是接口電路在有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線路板焦糊的現(xiàn)象，雖然不至于影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性，但也造成極大的不便。

　　出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路，噪聲電壓只出現(xiàn)在隔離層上而非接收機(jī)或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經(jīng)過強(qiáng)烈能量的考驗(yàn)。圖4提到的接地措施只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，而對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了，因?yàn)橐€電感的作用對(duì)高頻瞬態(tài)干擾來講接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會(huì)有成百上千伏的電壓但持續(xù)時(shí)間很短，在切換大功率感性負(fù)載(電機(jī)、變壓器、繼電器)，閃電等過程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞接口。

　　對(duì)于這種瞬態(tài)干擾，可以采取瞬態(tài)抑制方法加以防護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中采用兩級(jí)防護(hù)措施：使用3個(gè)90 V陶瓷放電管(3RM090L-8)(可承受10/700 μs，10/700μs為通信線路中感應(yīng)出的雷擊電壓波形，表示從零值上升至峰值的時(shí)間為10 ms，下降至峰值一半的時(shí)間為700μs，8 000V雷擊測試)進(jìn)行共模防護(hù)、差模防護(hù)，此時(shí)過電壓被大大削弱到500 V左右;再經(jīng)過PTC(可以采用100～200mA、耐壓250 V以上的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲K250-120U)或10Ω左右的電阻限流。TVS瞬態(tài)抑制二極管的選擇可以根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

　　結(jié) 語

　　由于本單位的交通戶外設(shè)備大多數(shù)工作于惡劣環(huán)境，在雷雨多發(fā)期間或由于施工不當(dāng)(管線分類或接地不合適)經(jīng)常造成通信的可靠性下降，在采取本文設(shè)計(jì)的隔離、接地方案后，可靠性有了極大的提高。該方案適合任何需要隔離保護(hù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)槿魏胃呖煽啃缘牟灏涡徒涌诙夹枰懈綦x保護(hù)。