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单线串行总线可传递相互隔离的电源和数据

Greg Sutterlin?? 2008年09月18日 ?? 收藏0

  医疗和工业应用经常为了病人和设备操作员的人身安全要求隔离电压达到2500Vac或更高。该隔离屏障不仅要把电源传输到传感器件上,而且还要传送往来于该器件上的数据。

  每一个穿越隔离屏障的数据信号都要求隔离。因此,在这些应用中,设计者可以通过选用串行总线而不是并行总线来节约成本。串行总线包括SPI、I2C和Dallas单线串行总线。

  Dallas单线总线只需要一根数据线(外加地线)来进行双向通讯。由于光隔离器是单向器件,典型的单线传输需要两个光耦,数据流的每个方向上各用一个(而SPI和I2C总线则至少需要三个光耦)。

  该单线串行总线不仅允许传输双向数据流,而且还可以寄生电源模式传递电源。用一个隔离的变换器来为传感器件供电。这样,绝大多数的设计需要两个光耦用于数据接口:一个光耦用于反馈到隔离的电源上,而一个变压器用于电源隔离。

  该电路如图所示,电路中仅用了一个隔离变压器驱动器(U1)和一个单光耦(U3),把用于隔离的器件数减到了最少,而同时又保持了双线抽头设计。

电路中仅用了一个隔离变压器驱动器

点击看原图

  U1提供隔离的和虚调节的电源,并能够使主控台把数据传送到隔离接口另一侧的单线串口设备上。而接收通道上的单光隔离器使得主控台能够接收来自单线串口设备上的隔离数据。

  注意下列的观察结果:在引脚VISOI处(原理图的右上角),由U1和变压器T1产生的电压约为4.0V。D1和D2实现变压器次级的半桥式整流。

  在U1中,将FS和VCC连接起来,使得器件的开关频率为额定的860kHz。电容器C2对输出进行滤波,使输出电平保持在正半周期。R1用来对C2进行放电。

  通过利用Dallas单线串行总线,接口电路能提供主控台微控制器和传感元件之间的隔离和双向通讯。

  主控台微控制器通过控制U1的SD端的通断来向单线串口设备发送数据。当不发送数据时,通常U1工作并向单线串口设备供电,对单线设备表示为逻辑高电平。此时引脚VISOL处的电压约为4.0V。

  进行通讯时,主控台施加一个复位脉冲将SD置高电平,关断U1。由于U1的关断,VISOL处的电压降低到单线串口设备的逻辑低电平。合理选择R1、R2、R3和C2的值,使得VISOI在大约5μs内降到逻辑低电平门限(0.8V)以下。(R1=R2=1.00kΩ, R3=2.00kΩ, C2=4.7nF将产生测试起始值,而终值则取决于所选择的光耦。)当U1工作时,合理选取上述四个数值,使得VISOI不能低于单线串口设备的逻辑高电平门限(2.4V)。

  当主控台接收来自单线串口设备的数据时,光耦(U3)被VISOI电平或单线串口设备的数据端(DQ)调节。当U1工作时, U3中的LED点亮。这将强置Rx为低电平。当单线串口设备将DQ拉到低电平时,LED熄灭,而Rx变为高电平。而U1关断时,Rx变为高电平,导致VISOI降低而熄灭LED。(微控制器上的Tx和Rx逻辑与单线串口设备上的逻辑相反。)

  这样,由一个光耦、一个变压器和一个Dallas单线串行线就构成了一个位于主控制台和精密的单线串口测温设备之间的隔离传感接口。在保持连接和器件成本最低的同时,该电路支持医疗和工业中的高压应用场合。


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串行总线? 电源? 医疗? 隔离屏障?

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