設計適合惡劣環(huán)境下工業(yè)應用的魯棒隔離式RS-232數(shù)據(jù)接口

　　簡介

　　工業(yè)和儀器儀表 (II) 應用的一個關鍵要求是具有可靠的數(shù)據(jù)接口，用于通過診斷端口檢查相連系統(tǒng)。 RS-232總線標準是II 應用中使用最早也最廣泛的物理層總線設計標準之一。RS-232最初于1962年推出，是一種單端數(shù)據(jù)傳輸標準;盡管有謠傳稱其很快消亡，但其實它現(xiàn)在仍然是短線通要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)通信鏈路，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網(wǎng)絡與相連系統(tǒng)之間提供一個隔離接口，以預防高噪聲環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性(圖1).RS-232通信鏈路的電源隔離利用隔離式DC/DC電源或ADI公司的isoPower? 集成式DC/DC轉換器技術實現(xiàn)。RS-232通信鏈路的信號隔離利用光耦合器或ADI公司的iCoupler? 技術實現(xiàn)。

　　圖1. 典型的隔離式RS-232通信鏈路

　　如圖2所示，隔離柵在RS-232總線和與該總線相連的每個系統(tǒng)之間提供電隔離，既允許在兩點之間傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，又可防止接地環(huán)路電流流過;這樣可以消除耦合到通信電纜上的噪聲，從而降低信號失真和誤差。

　　圖2. 隔離功能

　　實現(xiàn)隔離式RS-232接口

　　要提供隔離式RS-232通信接口，兩端的器件必須與所連的RS-232電纜相互隔離。要隔離數(shù)據(jù)鏈路 ，則必須對數(shù)據(jù)信號線路和用于驅動該電纜的電源進行隔離。來自診斷端口上UART的數(shù)據(jù)需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線側上的RS-232收發(fā)器。本地5 V/3.3 V電源也需要跨越隔離柵來為隔離總線側上的RS-232收發(fā)器供電。工業(yè)PC端也同樣需要如此：數(shù)據(jù)和電源均需要跨越隔離柵(圖3)。

　　通過將器件與RS-232電纜網(wǎng)絡隔離開來，診斷端口和工業(yè)PC電路均受到保護，不受惡劣環(huán)境下可能耦合到RS-232電纜上的瞬變影響。隔離還可以中斷因診斷端口和工業(yè)PC端存在不同接地電位而可能出現(xiàn)的接地環(huán)路。RS-232總線上可能出現(xiàn)的高共模電壓不能跨越隔離柵，從而保護隔離數(shù)據(jù)的用戶。

　　圖3. 隔離式RS-232接口

隔離技術：數(shù)據(jù)和電源

　　圖4比較了兩種主要隔離技術。i技術(圖4(a))利用厚膜工藝技術構建可實現(xiàn)2.5 kV隔離的微型片上變壓器，從而在RS-232系統(tǒng)中提供信號隔離。較古老但廣泛采用的光耦合器 解決方案(圖4(b))則采用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管。LED用于將電信號轉換為光，光電檢測器則用于將光轉換回為電信號。電光轉換本身的低轉換效率導致功耗相對較高;光電檢測器的慢速響應則限制其速度;而老化問題會限制其使用壽命。