串行通信串行通信隔离方法

隔离的现实需要

串行通信由于其工作特点（按位传输易受干扰、远距离 信息交换）、应用场合（恶劣环境的工业控制、户外等）、 器件间电平匹配（两侧器件的工作电平不一致等），需要做相应的隔离防护。通过隔离，达到以下目的。
（1）器件保护，防护隔离在电子器件高速发展的今天，低功耗、高封装的芯片应用广泛。微处理器的低电压工作条件和外围器件的高电压工作环境，其发展进程不一。当前微处理器芯片电平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低电压器件为主，而且随着不同工作电压的数字IC的不断涌现，逻辑电平转换的必要性更加突出。例如STM32控制器的3.3V输入输出I/O与传统串行通信接口芯环境，其发展进程不一。当前微处理器芯片电平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低电压器件为主，而且随着不同工作电压的 数字 IC 的不断涌现，逻辑电平转换的必要性更加突出。例如 STM32控制器的3.3V输入输出I/O与传统串行通信接口芯 片MAX232的TTL电平为输入标准，格格不入。因此，为 了实现控制器与通信接口芯片间的电平匹配，保护控制器引脚因过高或者过低的工作电压而受损，加入隔离器件尤其必要。 [2]  
（2）屏蔽干扰，线路隔离由于较多串行通信设备工作在工业现场的恶劣环境或配电系统的远距离传输等条件下，因此在长线通讯中线路上往往会感应出明显的干扰信号，造成通信过程的偶发性错误，进而影响整个系统的可靠运行。引入干扰信号的来源包括空间辐射、串扰、系统噪声等。例如RS － 232C通信中由于其采用单端信号传输模式，当通信双方的不同地线之间的地电位不一致时，就会引入共模干扰电压，造成通信的不稳定。 [2]  


串行通信中，通过通信线路屏蔽可以减少辐射干扰的影响，通过差分方式信号传输方式可以减少共模干扰电压的影响，但为应对器件保护而进行的电平变换和为减少干扰而设计的线路隔离，仍必不可少。

串行通信隔离的方法应用
（1）分立器件隔离技术
在隔离设计需要中，器件间电平变换隔离方法可采用单纯的分立器件完成。电平变换的最终目的就是实现工作单元两侧的电平根据各自需要而定。 分立器件隔离方法主要利用的就是电阻与晶体管的合理搭配，使得输入 / 输出间的电平实现匹配。 利用MOS管的开关作用，实现双侧电平变换，是常规有效的方法。 此种隔离方法，一般为共地隔离，仅完成电平变换，做到保护器件功能，非系统间电气隔离。 [2]  
（2）光电耦合器隔离技术
光电耦合器，简称光耦，是一种以光为媒介来实现电信号传输的一类器件。其工作原理是把发光器（发光器件）与感光器（光敏器件）封装在芯片内部，通过外加在输入端的电信号控制发光器发光，感光器在内部光照的情况下，产生电信号，驱动输出端，实现了“电—光—电”转换。 由于光耦两侧的电信号完全隔离，内部以光为传输媒介， 因此，光耦输入/输出之间绝缘，可以完成单向信号的隔离传输，在数字电路中应用广泛。 普通光耦（TLP521）在隔离电路中的应用，受限于器件特点，其传输特性低频效果较好，高频信号传输失真严重。 实际电路测试中，115kbp的串行通信频率，通过电路器件参数匹配和电路结构优化，可基本适应。从东芝半导体公司光 耦产品系中可知，其通信速率涵盖了20kbps ～ 50Mbps， 因此在高速通信传输时，应根据设计需要选用高速光耦。 [2]  
（3）新型隔离技术
在产品日新月异的时下，新器件层出不穷。主流芯片商德州仪器（TI）、亚诺德半导体（ADI）和芯科科技（Silicon Labs）分别研发了电容隔离、磁耦隔离、射频隔离等不同类型的数字隔离器。 [2]  

电容隔离
电容隔离，利用了电容极板间填充材料为绝缘物质为隔离层，通过内部电场的变化来完成信号的传输。TI公司的ISO72x系列为典型电容隔离技术的应用。在电容隔离功能中，信号传输通道分为“低频通道”与 “高频通道”。低频信号通过内置振荡器产生的高频载波与PWM调制，通过差分方式进行调制传输。输出端低通滤波去除高频载波。 高频信号则不经过调制编码，差分变换后直接通过隔离层传输，输出端通过时间关系进行逻辑决策，从而控制输出多路选择器正确输出。 [2]  

磁耦隔离
磁耦隔离，利用了变压器原理，使用变压器初级线圈与次级线圈两者之间通过磁耦合方式进行信号传递，从而实现隔离效果。ADI公司的iCoupler专利技术，就是基于芯片内空芯变压器的磁隔离技术。ADUM系列为典型磁耦隔离技术的应用。 [2]  
iCoupler磁隔离技术，通过芯片内部特征尺寸上实现的空芯变压器初级与次级线圈间的磁耦合实现信号隔离。信号传输采用了特定短脉冲组合方式来表示高低电平。两个连续的短脉冲表示高电平，单个短脉冲表示低电平。输出端根据检测脉冲的个数来确定输出电平状态。刷新器电路与看门狗电路提供了输入端电平状态与输出端故障安全状态方面的保障。 [2]  

射频隔离
射频隔离，利用了无线射频传输原理。在发送端，完成基于高频信号的原始信号调制，通过发射天线发送。在接收端， 通过解调器完成已调信号的解调，恢复原始信号。通过这样的调制与解调，实现隔离的效果。Silicon Labs 公司的RF隔离即射频隔离，Si84xx系列为典型射频隔离技术的应用。 [2]  
RF隔离采用ISOpro型 RF射频隔离原理。芯片由半导体RF射频发射器、接收器和两者间的差动电容式隔离隔栅组成。工作中，使用基本的ON/OFF按键（OOK功能）， 输入数据为高电压时，发射器产生RF射频调制信号；输入数据为低电平时，发生器无RF射频调制信号。调制信号经过隔离隔栅送到接收器。接收器检测到同频带调制信号时，经解调器解调，输出高电平；无调制信号时，输出低电平。

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