嵌入式系統(tǒng)接口應(yīng)用中的隔離技術(shù)及其設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2013-10-15 來源：網(wǎng)絡(luò)

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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?？偩€節(jié)點(diǎn)以菊花鏈或總線拓?fù)浞绞铰?lián)網(wǎng)，總線上每臺設(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RS485網(wǎng)絡(luò)來講一條低阻的信號地還是必不可少的。一條低阻的信號地將兩個(gè)接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路，這條信號地可以是額外的一對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)器的信號線和電源線與本地信號和電源的相互隔離。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。對于傳感器信號隔離，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)微處理器的信號線和電源線與ADC／DAC的信號和電源的相互隔離。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，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低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，而對于頻率很高的瞬態(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)就會損壞接口。

對于這種瞬態(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)。