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只需20分钟,搭建一个成本仅为20美元的隔离型USB-to-UART转换器

Jacob Beningo?? 2015年12月22日 ?? 收藏9
看着工作台上的硬件燃起滚滚浓烟,我不禁目瞪口呆。就在片刻之前,电路还一直像期望的那样好好工作着,突然就听见如同qiāng声一样的电路自毁声传来。待测硬件自毁导致了意外的结果:一直使用的通过USB-to-UART转换器与硬件进行通信的计算机发生了不可恢复的USB故障。现在电脑受损,变成了一堆废铁。

可以用便宜的简单隔离电路保护计算机上的USB端口。嵌入式系统开发人员日常习惯于将一些奇怪的硬件和元器件插入他们的电脑中,很少考虑他们这样做会带来什么样的后果。

本设计实例介绍了一种使用Sparkfun USB-to-UART通用板(BOB)搭建的低成本隔离型USB-to-UART转换器。

隔离型USB-to-UART转换器迟早会派上用场。举例来说,在电池供电设备的开发过程中,经常会将USB-to-UART转换器连接在设备上,在没有采取隔离措施的情况下,会将主机的地和大地连在一起。设备可能工作非常正常,但当跟电脑分开时,它就不能正常工作了。隔离型转换器将设备和主机的地分隔开来,因此能很早地发现任何接地问题。

隔离USB-to-UART转换器的最重要用途当然是在故障条件下。考虑将一个未经测试的电路板连接到比如MacBook Pro这种昂贵的笔记本电脑的后果吧。USB规范和硬件层确实有保护电路,但它们不是针对工作在数百伏直流电压的设备设计的。当一台设备发生USB总线故障,并有可能给总线施加超过5V的电压或很大的电流时,花20美元隔离两台设备是一种明智的决策。

隔离器的选择

隔离器的选择需要仔细斟酌。UART一般被认为是低速器件,但现代的微控制器和接口可以支持超过1Mbps的波特率。许多隔离器、特别是光耦隔离器的最大波特率都在100kbps以下。Silicon Labs公司的Si8421BB-D-IS是适合这种应用的器件,但不推荐在新设计中使用。取而代之的是ADUM3211ARZ,但这种器件尚未经过严格的测试,因此使用需慎重。

Si8421BB可以支持2.5kV的隔离电压约一分钟之久。这种隔离器能够支持高达150Mbps的波特率。Si8421BB-D-IS的小批量价格仅1.46美元,但如果还嫌贵的话,可以选择仅1.05美元的Si8421AB-D-IS(最大波特率是1Mbps)。Si8421BB-D-IS的另外一个优点是,它有两个采用8引脚SOIC封装的隔离器,因此非常适合Tx/Rx信号对。这种隔离器是单向的,但布局上可以与Sparkfun USB-to-UART BOB做到引脚兼容。

搭建隔离器

需要订购少量器件:

数量

器件

来源

型号

价格

1

USB-to-UART

Sparkfun

BOB-12731

$14.95

1

SOIC Breakout

Sparkfun

BOB-00494

$2.95

1

0.100” Headers

Sparkfun

PRT-00116

$1.50

1

SI8421BB-D-IS Isolator

Digikey

336-1756-5-ND

$1.46

这些元器件的总价加上运输费也就20美元左右。大多数开发人员手头至少有一个项目,因此购买足够的材料搭建两到三个产品有助于抵消运输成本。完整的元器件集应该类似于图1所示:

图1:隔离型USB-to-UART元件。
图1:隔离型USB-to-UART元件。

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《电子技术设计》2016年1月刊版权所有,谢绝转载。


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转换器? USB? UART?

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