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用iCoupler保護RS-232、RS-485和CAN匯流排

上網時間: 2005年12月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:iCoupler  RS-232  RS-485  CAN匯流排  控制器區域網路 

引言:在許多應用諸如工業流程控制、電源供應調節與在電腦之間的點對點通訊,串列通訊匯流排透過各種不同形式的實體網路如RS-232RS-485控制器區域網路(CAN)來傳輸資料。每種互連系統通常有自己的電源供應,而且系統時常因長距離而被分隔,所以直流電隔離一般會被要求中斷接地迴路,以保護系統避免高暫態電壓,減少訊號失真,並且保護實體的安全。

變壓器、耦合電容器、光耦合器,以及iCoupler,都是用來提供直流電保護的方法,可阻絕流入兩點之間的電流,同時讓資料通過暢行無阻(圖1)。隔離是用來防止因線路電壓突波或接地迴路造成的高電壓或高電流,此一情況可能在任何一部有多個接地路徑的系統發生。系統接地受到長纜線的分隔,將不會是相同的電位,因此接地電流會流經兩部系統之間。

若沒有隔離的話,此電流有可能會夾帶雜訊,降低量測品質,或甚至毀壞系統元件。

在工業環境中電流會被傳導耦合到長纜線,由於馬達的開關切換、電磁放電或附近打雷閃電可能造成接地電位勢的快速改變,電壓經常會大到幾百或幾千伏特。當此情況發生時,遠端系統預期的邏輯位準切換訊號可能被加在有關其本地接地的高電壓上。將所有連接到匯流排的裝置歸入單接地線,將會保護系統避免能量的毀損,並將裝置隔離起來防止接地迴路與電氣的電壓突波。

圖1: 直流電隔離允許資訊流通但避免電流流通。

圖2:iCoupler剖面圖。

圖3:數位輸入在iCoupler的輸出端加以重建。

圖4:ADuM140x 4通道隔離器結構。

圖5:8個訊號RS-232網路配置。

圖7:2線式多點、半雙工RS-485網路。

圖8:隔離型RS-485電路。

圖9:ADM2486隔離型RS-485傳送器。

圖10:CAN匯流排網路。

圖11:隔離型CAN匯流排網路。

為完全地將系統隔離,所有訊號線與電源供應器必須是隔離的。隔離型直流轉直流轉換器可提供電源供應器的隔離,而iCoupler數位隔離器是提供訊號的隔離。

iCoupler技術

相較於用在光耦合器的LED和二極體,iCoupler隔離器是基於晶片尺寸變壓器的磁耦合器(圖2)。這款平面式變壓器使用CMOS金屬層,加上一層置於護層保護最外層的黃金層。位在黃金層下的高崩潰薄膜(聚亞氨)層從底部將最外層的變壓器線圈隔離。高速CMOS電路連接到線圈的最外層和底部提供每個變壓器及其外部訊號之間的介面。晶圓尺寸製作提供一種低成本的方式以單一封裝來整合多重通道的隔離以及其他半導體功能。iCoupler技術消除了不確定的電流轉換率,非線性轉換函數,以及與光耦合器相關的漂移(隨著配合時間與溫度);所減少的功率消耗達90%這麼高;並且省卻外部驅動器或分離式元件所需。

在變壓器初級端的電路將輸入邏輯轉換到1ns脈衝加以編碼,然後經過變壓器的耦合;在次級端的電路偵測到它們然後重建輸入訊號,如圖3所示。在輸入端的更新電路確保輸出狀態與輸入狀態匹配,即使沒有輸入轉換出現的情況下。這在上電(power-ip)情況以及對以低資料率或恆定直流輸入的輸入波形都很重要。

由於iCoupler產品的目的在於從輸出端來隔離輸入端,在變壓器一端的電路必須從變壓器的次級端被整合成一顆單獨的晶片。變壓器本身可以被放在任一晶片中-或者在第三顆晶片中,如圖4所示的ADuM140x1 。全部晶片組被裝配在標準的塑膠封裝中,類似於被廣泛用在各種半導體元件的封裝。

iCoupler元件的創新特性是它們在相同的封裝中結合了傳送與接收通道的能力。 iCoupler變壓器延續原來的雙方向性,所以只要合適的電路出現在變壓器的任一端,訊號可以在任一方向流通。以這種方式,多通道隔離器提供了各種傳送/接收通道的配置。2

串列通訊匯流排

RS-232(EIA232)和RS-485(EIA/TIA485)規格只定義了實體層,允許使用者定義訊號協定,或由其他指定他們在實體層使用的標準來定義。另一方面,CAN匯流排則都定義實體層與數據連接層。

RS-232:RS-232匯流排標準,是串列通訊匯流排中最為普及的,它最早在1962年被制定規格,做為電腦與數據機之間通訊。到現在它仍廣被使用做為互連系統通訊的連結,它的簡單性,彈性與成功使用的悠久歷史,造成它的普及持續不墜。由於專為點對點通訊設計,它使用二條專用的非平衡型單端線路與參考接地訊號,提供全雙工通訊,。

它的數據率限制在20kbps,或是在低電壓的變化下限制在64kbps。以2500pF最大的負載電容與3kΩ至7kΩ負載阻抗時,最大實際纜線長度的限制約為16公尺。RS-232的驅動器輸出位準分為-5V至-15V的Logic 1以及+5V至+15V的Logic 0二種----以及接收器輸入位準分為-3V至-15V的Logic 1和+3V至+15V的Logic 0二種。在-3V和+3V之間的電壓並未定義。寬廣的漂移電壓與未定義的區域可確保高位準的抗雜訊力,並允許有效訊號位準透過長纜線來接收。

RS-232規格定義了一種具有20條訊號線的25支腳D連接器腳位輸出,但是具有八條訊號線的9支腳連接器更加普遍,見圖5。每個方向中的一條線路被用在數據傳輸;其餘線路則做為通訊協定。最簡單的情況下,RS-232可以只要用三條線路就可實現: Tx(傳送數據),Rx(接收數據),GND(接地)。用來做為設備安全的保護型接地是以25支腳連接器來定義。這個線路一般連到電源接地或機殼接地,不可以連接到訊號接地或從系統連到系統。

RS-232標準將設備分為二類:DCE(數據通訊設備)和DTE(數據終端設備)。這些稱法從電腦和數據機時代沿用至今;現在這些名詞只單純定義那些線路的連接當作輸入或輸出的作用。

RS-232一般用來連接多部系統,因此每部系統與匯流排之間的隔離是很重要的。數位隔離器並不支援RS-232標準,所以它們不能用在傳送器與纜線之間;反而是它們是在傳送器與本地系統之間。傳送器的系統端一般連接到一顆萬用異步接收器/傳送器(UART)或一顆處理器,使用0V至3V或0V至5V邏輯位準。因為iCoupler隔離器的輸入與輸出電路是以電子隔離方式來隔離彼此,一方可被放置在UART與傳送器之間做為將系統與纜線隔離的一種簡單方法。為完成這種隔離方式,會使用一顆隔離型直流轉直流轉換器供應電源給隔離器與接收器。ADuM14023 iCoupler數位隔離器,與ADM232L4 RS-232傳送器,和隔離型電源供應器等組合,如圖6所示,簡省了接地迴路並提供避免電壓突波損害的有效保護。

RS-485:RS485標準指定最高可驅動32對驅動器與接收器。它的多樣性與驅動4000公尺纜線的能力,使它得以普遍使用在範圍寬廣的應用中,特別是透過非常長距離的互連系統。小型電腦系統介面(SCSI)與PROFIBUS協定都使用RS-485來通訊。

可用的纜線長度依數據速度的需求而定,速度/長度組合的範圍從1200公尺時的200kbps到在100公尺時為12Mbps不等。運用平衡型差動訊號,RS-485驅動器經由二條輸出線路傳送數據。接收器透過比較二訊號後,決定邏輯狀態;當差異大於200mV提供有效的邏輯位準。在驅動器與接收器中的差動放大器帶動訊號線路之間的電流,比起單端電路如RS-232,它提供更高的抗雜訊能力。

有一個致能(enable)功能讓驅動器能被放到高阻抗狀態,所以多重驅動器可共用單一匯流排而無爭論。它的軟體協定定義了匯流排仲裁程序,讓幾乎所有的驅動器在所有時間內都保持在閒置狀態,並允許線路分享最高32個驅動器。如圖7所示為半雙工,2線雙向的配置圖。每個節點包含一個驅動器與接收器,而所有驅動器與接收器都共用相同的2線雙絞線。當此做法簡化安裝並降低成本外,它也限制了最大傳輸率。4線全雙工配置-使用一個節點作為主控端,其他節點做為從屬端---複雜度更大但提供的數據率更高, 

RS-485一般用來連接多部系統,因此每部系統與匯流排之間的隔離是很重要的。正如對RS-232一樣,數位隔離器並不支援RS-485標準,所以它們不能用在傳送器與纜線之間;反而是它們是在傳送器與本地系統之間。傳送器的系統端一般連接到本地匯流排或一顆處理器。由於iCoupler隔離器的輸入與輸出電路是以電子隔離方式來隔離彼此,在處理器與傳送器之間插入該元件是隔離系統與纜線的一種簡單的方法。為完成這種隔離方式,會使用一顆隔離型直流轉直流轉換器供應電源給隔離器與傳送器。ADuM13015 iCoupler數位隔離器,和隔離型電源供應器的組合,如圖8所示,簡省了接地迴路並提供避免電壓突波損害的有效保護。

圖9顯示ADM24866單晶片隔離型RS-485傳送器。

圖6:5個訊號隔離型RS-232電路(圖示DTE端)。

CAN匯流排:CAN匯流排標準,原來是針對汽車應用發展而來,明定一種2線串列通訊協定允許數據傳輸率最高到1Mbps,並可達30節點和最長40公尺的纜線長度。它以訊框傳送非同步數據,包含啟動與停止位元,一仲裁場域,一控制場域,一周期冗餘檢查(CRC)場域和一承認場域。每個節點會在同時間聽從並傳輸,所以協定最重要的特性之一是它的非破壞性的位元仲裁,此可確保無資料會被漏失。在每個資訊開始時,每一節點便傳送主控的啟動資訊(Start of message;SOM)位元。其他節點將會看到這個動作, 除非資訊完成否則不會想要開始傳送。接下來,11位元或29位元仲裁場域會被傳送。此外,大家熟知的識別符(Identifier),這個場域會優先將資訊傳到匯流排。最高優先權的節點總是控制著匯流排,讓較低優先權的節點等待。這種非破壞性的仲裁可確保最高優先權資訊永保暢通。

CAN匯流排,如圖10所示,使用一種平衡式2線差動介面,一般以3V或5V操作。運用非歸零(NRZ)編碼,確保精巧的資訊具有最少數量的轉換與高度的抗雜訊能力。CAN匯流排收發器使用一對開汲極元件來創出一種CANH(Vcc-0.9V)到CANL(1.5V)的差動訊號。當被驅動時,傳輸器產生主控訊號,這代表低邏輯位準。當無傳輸器驅動時,推升電阻將匯流排設定在Vcc/2,於是產生逆向訊號,代表高邏輯位準。待機控制將收發器置於低功率模式。低功率接收器在待機模式時保持作用,當動作被偵測時,監視匯流排的狀態變化-與提供控制器訊號以使本地節點動作。

如同RS-232 和RS-485一樣,數位隔離器並不支援CAN匯流排標準,所以它們不能用在傳送器與纜線之間;它們反而是使用在傳送器與本地CAN控制器之間,使用標準3V或5V邏輯位準。 由於iCoupler隔離器的輸入與輸出電路是以電子隔離方式來隔離彼此,在處理器與傳送器之間插入該元件是隔離系統與纜線的一種簡單的方法。為完成這種隔離方式,會使用一顆隔離型直流轉直流轉換器供應電源給隔離器與傳送器。 iCoupler數位隔離器和隔離型電源供應器的組合,如圖11所示,省卻了接地迴路並提供避免電壓突波損害的有效保護。

更多有關iCoupler

基於iCoupler技術的數位隔離器與光耦合器比較,在整合度、效能、功率消耗、使用簡易度和可靠度方面都更為出色。iCoupler元件內建的功能除了常用的旁帶電容外,無需外加元件;它們整體的速度更快,傳輸資料速率更高(到100Mbps),傳播延遲更短(18ns);它們的功率消耗(從5mW@1Mbps到22mW@25Mbps)比起同級的光耦合器相差程度從1/70到1/5,且鄰近元件幾乎不會變熱;以相同方式下,它們可被用在標準的數位CMOS;它們可作業在更高的溫度---其傳播延遲本質上不會對溫度敏感;且它們的壽命增長,不會有LED折損。它們也有高品質光耦合器才有的安全保證。目前上市的iCoupler元件具有絕緣性額定值為2.5kVrms(400V rms穩定狀態),未來可望提升50%以上。

完全公開

由於類比對話並非一本工具書,這些例子基本上顯示iCoupler技術如何能用在網路通訊中;它們不是經過測試應用的詳細電路。欲知詳情,請參考產品技術手冊或可用的應用指南(參見下列)。跟往常一樣,當作業於高電壓電路時,使用要格外小心。

深入閱讀參考資訊

參考來源-根據2005年10月資料

作者:Scott Wayne

scott.wayne@analog.com

ADI公司




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