嵌入式系統(tǒng)的接口類型

1、根據(jù)數(shù)據(jù)的通信形式，嵌入式系統(tǒng)接口可以分為串行數(shù)據(jù)傳輸接口和并行數(shù)據(jù)傳輸接口兩種形式。串行數(shù)據(jù)傳輸接口又分為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸接口和模擬數(shù)據(jù)傳輸接口兩種形式，即通過數(shù)據(jù)線上的信號(hào)形式來進(jìn)行劃分，目前使用的大多數(shù)串行數(shù)據(jù)傳輸接口均為數(shù)字式。串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸接口又有單極性/雙極性、差分/非差分、同步/異步、全雙工/半雙工、歸零/非歸零之分；模擬數(shù)據(jù)傳輸接口又有幅值鍵控ASK（Amplitude-Shift Keying）、頻移鍵控FSK（Frequency-Shift Keying）、相移鍵控PSK（Phase-Shift Keying）之分。單極性/雙極性是指數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的電平情況，差分信號(hào)傳輸則

2、需要兩根數(shù)據(jù)線，兩根數(shù)據(jù)線上的電平完全相反，當(dāng)有外部干擾信號(hào)時(shí)，仍然能夠通過兩個(gè)電平完全相反的信號(hào)得到正確的數(shù)據(jù)，因此差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸能夠有效地抵制干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。同步/異步是指收發(fā)雙方是否需要同步時(shí)鐘信號(hào)。全雙工/半雙工是針對接收與發(fā)送能否同時(shí)完成而言，能夠同時(shí)收發(fā)的就是全雙工形式，否則就是半雙工形式。要實(shí)現(xiàn)全雙工串行數(shù)據(jù)收發(fā)需要收發(fā)各一路信號(hào)，而半雙工收發(fā)數(shù)據(jù)可以共用一路信號(hào)。歸零是指每一位二進(jìn)制信息傳輸后均返回到零電平。根據(jù)以上介紹，很容易對常見的串行接口進(jìn)行劃分。如UART RS-232-C接口是雙極性、非歸零、全雙工異步串行接口。I2C、JTAG、1-Wire接口是單極性、非歸

3、零、半雙工串行接口。USB、1394、RS-485、CAN、EMAC等接口是非歸零、差分串行接口。對更詳細(xì)的分類感興趣的讀者可以自己歸納總結(jié)。從實(shí)現(xiàn)的功能上接口類型還可以分為人機(jī)通信接口、工業(yè)板卡接口、現(xiàn)場總線接口等多種形式。常見的嵌入式接口及其類型劃分如圖7-1所示。 7.2 嵌入式系統(tǒng)的電平匹配由于外部設(shè)備種類豐富，當(dāng)外部設(shè)備與微處理器之間通過接口進(jìn)行連接時(shí)往往存在接口類型匹配、電平匹配、通信速度匹配、數(shù)據(jù)格式匹配等一系列匹配問題。一項(xiàng)不匹配都有可能導(dǎo)致通信無法進(jìn)行或者造成通信錯(cuò)誤。因此本節(jié)主要介紹與嵌入式接口應(yīng)用最基礎(chǔ)的電平匹配問題。7.2.1 電平匹配概述在混合電壓系統(tǒng)中，不

4、同電源電壓的邏輯器件相互連接時(shí)會(huì)存在三個(gè)主要問題：第一是加到輸入和輸出引腳上的最大允許電壓的限制問題；第二是兩個(gè)電源之間的電流互串問題；第三是必須滿足輸入轉(zhuǎn)換門限電平的問題。這些問題都是在嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)中需要首先考慮的問題。1電平類型及主要參數(shù)電平是指能夠被識(shí)別成一定邏輯信號(hào)的一個(gè)電壓范圍，在外部設(shè)備與嵌入式微處理器的接口應(yīng)用中，涉及的電平可能有很多種，因此電平匹配問題是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中芯片之間能夠相互連接、協(xié)同工作的基礎(chǔ)。電平匹配問題在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常常見，隨著低電壓器件的增多，在嵌入式系統(tǒng)中往往存在著很多不同工作電壓的器件，如嵌入式微處理器的工作電壓為3.3V，而AD、DA、液晶屏

5、等外部器件工作電壓為5V，工作電壓不同，相應(yīng)的接口往往具有不同的邏輯電平，這時(shí)就需要考慮之前所提到的三個(gè)問題。常用的邏輯電平有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、CML、ECL、PECL、LVPECL、 LVDS、GTL、RS-232、RS-422等多種，其中TTL和CMOS的邏輯電平按典型電壓可分為四類：5V系列、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。5V TTL和5V CMOS邏輯電平是通用的邏輯電平。ECL/PECL/LVPECL、CML和LVDS是差分輸入輸出。RS-422/485和RS-232是串口的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-422/485是差分輸入輸出，RS-232是單端輸入輸出

6、。在邏輯電平的匹配問題中的主要參數(shù)如下：（1）輸入高電平（Vih）： 保證邏輯門的輸入為高電平時(shí)所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于Vih時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為高電平：（2）輸入低電平（Vil）：保證邏輯門的輸入為低電平時(shí)所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于Vil時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為低電平：（3）輸出高電平（Voh）：保證邏輯門的輸出為高電平時(shí)的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時(shí)的電平值都必須大于此Voh：（4）輸出低電平（Vol）：保證邏輯門的輸出為低電平時(shí)的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時(shí)的電平值都必須小于此Vol：（5）閥值電平(Vt)：數(shù)字電路芯片都存在一個(gè)閾值電平，就

7、是電路剛剛勉強(qiáng)能翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)的電平。它是一個(gè)界于Vil、Vih之間的電壓值，對于CMOS電路的閾值電平，基本上是二分之一的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必須要求輸入高電平>Vih，輸入低電平 Vih > Vt > Vil > Vol。表7-1給出了常用電平的主要參數(shù)，因此在涉及電平匹配的應(yīng)用設(shè)計(jì)中最主要的就是要考慮以上的相關(guān)參數(shù)，這是電平能否被識(shí)別的基礎(chǔ)。當(dāng)然不同類型的電平還具有各自的特點(diǎn)，這將在下面進(jìn)行分別介紹。2TTL電平與CMOS電平在選用74系列芯片時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)同一種類型的芯片有多種型號(hào)的情況，如74HC595、74LS595、74LVC595、74HCT59

8、5等多種，這些芯片的功能往往是相同的，不同的是具體性能的差別，如功耗、速度、驅(qū)動(dòng)能力等，因此這里不得不提到最常見的兩種電平TTL與CMOS的區(qū)別。在常用的芯片中絕大多數(shù)都是采用這兩種類型的電平，74系列的芯片是一個(gè)典型的代表。在嵌入式微控制器中，其I/O口根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，同一芯片中可能同時(shí)存在這兩種形式的電平。TTL（Transistor-Transistor Logic）全名是晶體管-晶體管邏輯電路，是一種電流型驅(qū)動(dòng)器件，主要有54/74系列標(biāo)準(zhǔn)TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）五個(gè)系列。對于大

9、部分采用5V電源供電的TTL電平器件來說，根據(jù)以上介紹的主要參數(shù)，輸出高電平Voh2.4V，輸出低電平Vol0.4V，輸入高電平Vih2.0V，輸入低電平Vil0.8V。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種電壓型驅(qū)動(dòng)器件，邏輯電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V。而且具有很寬的噪聲容限。輸出高電平Voh4.45V；輸出低電平Vol0.5V；輸入高電平Vih3.5V；輸入低電平Vil1.5V。TTL與CMOS的主要區(qū)別：（1）TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。（2）TTL電路的速度快

10、，傳輸延遲時(shí)間短（510ns），但功耗大。（3）CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長（2550ns），但功耗低。（4）CMOS相對TTL有了更大的噪聲容限，輸入阻抗遠(yuǎn)大于TTL輸入阻抗。3TTL與CMOS芯片的使用在同樣5V電源電壓情況下，CMOS電路可以直接驅(qū)動(dòng)TTL，因?yàn)镃MOS的輸出高電平大于2.0V，輸出低電平小于0.8V；而TTL電路則不能直接驅(qū)動(dòng) CMOS電路，TTL的輸出高電平為大于2.4V，如果落在2.43.5V之間，則CMOS電路就不能檢測到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路時(shí)需要加上拉電阻。如果出現(xiàn)不同電壓電源的情況，也可以通過上面的方法進(jìn)

11、行判斷。如果電路中出現(xiàn)3.3V的CMOS電路去驅(qū)動(dòng)5V CMOS電路的情況，如3.3V單片機(jī)去驅(qū)動(dòng)74HC，這種情況有以下幾種方法解決，最簡單的就是直接將74HC換成74HCT（74系列的輸入輸出在下面有介紹）的芯片，因?yàn)?.3V CMOS 可以直接驅(qū)動(dòng)5V的TTL電路；或者加電壓轉(zhuǎn)換芯片；還有就是把單片機(jī)的I/O口設(shè)為開漏，然后加上拉電阻到5V，這種情況下得根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電阻的大小，以保證信號(hào)的上升沿時(shí)間。CMOS電路的使用有以下幾點(diǎn)需要注意：（1）CMOS電路是電壓控制器件，它的輸入總阻抗很大，對干擾信號(hào)的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的引腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個(gè)恒定的電

12、平。（2）輸入端接低內(nèi)阻的信號(hào)源時(shí)，要在輸入端和信號(hào)源之間串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。（3）當(dāng)接長信號(hào)傳輸線時(shí)，在CMOS電路端接匹配電阻。（4）當(dāng)輸入端接大電容時(shí)，應(yīng)該在輸入端和電容之間接保護(hù)電阻。電阻值為R=V0/1mA，V0是外界電容上的電壓。（5）CMOS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞CMOS。74系列集成電路大致可分為6大類：（1）74××（標(biāo)準(zhǔn)型）；（2）74LS××（低功耗肖特基型）；（3）74S××（肖特基型）；（4）74ALS××（先進(jìn)低功耗肖特基型）；（5）74AS×

13、;×（先進(jìn)肖特基型）；（6）74F××（高速）。近年來還出現(xiàn)了高速CMOS電路的74系列，該系列可分為3大類：（1）HC為CMOS工作電平。（2）HCT為TTL工作電平，可與74LS系列互換使用。（3）HCU適用于無緩沖級的CMOS電路。不同的74系列產(chǎn)品，只要后邊的標(biāo)號(hào)相同，其邏輯功能和引腳排列就相同。根據(jù)不同的條件和要求可選擇不同類型的74系列產(chǎn)品，比如電路的供電電壓為3V就應(yīng)選擇74HC系列的產(chǎn)品，常用的集中類型的典型參數(shù)如表7-2所示。7.2.2 接口相關(guān)電路及概念1集電極開路輸出在電路中常會(huì)遇到漏極開路（Open Drain）和集電極開路（Open Co

14、llector）兩種情形。漏極開路電路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏極。同理，集電極開路電路中的“集”就是指三極管的集電極。在數(shù)字電路中，分別簡稱OD門和OC門。典型的集電極開路電路如圖7-2所示。電路中右側(cè)的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路，左側(cè)的三極管用于反相作用，即左側(cè)輸入“0”時(shí)左側(cè)三極管截止，VCC通過電阻加到右側(cè)三極管基極，右側(cè)三極管導(dǎo)通，右側(cè)輸出端連接到地，輸出“0”。 加上上拉電阻。因此集電極開路輸出可以用做電平轉(zhuǎn)換，通過上拉電阻上拉至不同的電壓，來實(shí)現(xiàn)不同的電平轉(zhuǎn)換。集電極開路輸出還常用做驅(qū)動(dòng)器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一

15、個(gè)上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。將OC門輸出連在一起時(shí)，再通過一個(gè)電阻接外電源，可以實(shí)現(xiàn)“線與”邏輯關(guān)系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能做到既保證輸出的高、低電平符合要求，而且輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。集電極開路輸出除了可以實(shí)現(xiàn)多門的線與邏輯關(guān)系外，通過使用大功率的三極管還可用于直接驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載，如繼電器、脈沖變壓器、指示燈等。2漏極開路輸出和集電極開路一樣，顧名思義，開漏電路就是指從MOSFET的漏極

16、輸出的電路。典型的用法是在漏極外部的電路添加上拉電阻到電源如圖7-3所示。完整的開漏電路應(yīng)由開漏器件和開漏上拉電阻組成。這里的上拉電阻R的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。因此在選擇上拉電阻時(shí)要兼顧功耗和速度。標(biāo)準(zhǔn)的開漏腳一般只有輸出的能力。添加其他的判斷電路，才能具備雙向輸入、輸出的能力。 很多單片機(jī)等器件的I/O就是漏極開路形式，或者可以配置成漏極開路輸出形式，如51單片機(jī)的P0口就為漏極開路輸出。在實(shí)際應(yīng)用中可以將多個(gè)開漏輸出的引腳連接到一條線上，這樣就形成“線與邏輯”關(guān)系。注意這個(gè)公共點(diǎn)必須接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)這些引腳的任一路變?yōu)檫壿?后

17、，開漏線上的邏輯就為0了。在I2C等接口總線中就用此法判斷總線占用狀態(tài)。同集電極開路一樣，利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)上拉電阻，再經(jīng)MOSFET到GND。IC內(nèi)部僅需很小的柵極驅(qū)動(dòng)電流，因此漏極開路也常用于驅(qū)動(dòng)電路中。3推挽輸出在功率放大器電路中經(jīng)常采用推挽放大器電路，這種電路中用兩只三極管構(gòu)成一級放大器電路，如圖7-4所示。兩只三極管分別放大輸入信號(hào)的正半周和負(fù)半周，即用一只三極管放大信號(hào)的正半周，用另一只三極管放大信號(hào)的負(fù)半周，兩只三極管輸出的半周信號(hào)在放大器負(fù)載上合并后得到一個(gè)完整周期的輸出信號(hào)。 推挽放

18、大器電路中，一只三極管工作在導(dǎo)通、放大狀態(tài)時(shí)，另一只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)變化到另一個(gè)半周后，原先導(dǎo)通、放大的三極管進(jìn)入截止，而原先截止的三極管進(jìn)入導(dǎo)通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導(dǎo)通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。4上拉電阻與下拉電阻在嵌入式接口的相關(guān)應(yīng)用中經(jīng)常提到上拉電阻與下拉電阻。顧名思義，上拉電阻就是把端口連接到電源的電阻，下拉電阻就是把端口連接到地的電阻。雖然電路形式非常簡單，然而上拉電阻與下拉電阻在很多場合卻發(fā)揮著非常重要的作用。簡單地說，上拉電阻的主要作用在于提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力、確定輸入信號(hào)的電平（防止干擾）等，

19、具體的表現(xiàn)為：（1）當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。（2）OC門電路必須加上拉電阻，以提高輸出的高電平值。（3）為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，有的單片機(jī)引腳上也常使用上拉電阻。（4）在CMOS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的引腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。（5）芯片的引腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限增強(qiáng)抗干擾能力。（6）提高總線的抗電磁干擾能力。引腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。（7）長線傳輸中電阻不匹

20、配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效抑制反射波干擾。上拉電阻阻值的選擇原則包括：（1）從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。（2）從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。（3）對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。綜合考慮以上三點(diǎn)，通常在110KW之間選取。對下拉電阻也有類似道理。5嵌入式微控制器的I/O配置上面介紹了嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)中相關(guān)的接口電路和概念，嵌入式微控制器的I/O是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常用到的接口，很多微控制器的I/O口可以進(jìn)行靈活配置，以本書介紹的STM32F10x為例，STM32F10x的I/O可以配置成如表7-3所示

21、的八種模式。因此在I/O的應(yīng)用中更為靈活。STM32F10x端口位的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用在第6章中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，很多微控制器的端口和STM32類似，需要在不同的應(yīng)用情形下，根據(jù)開漏輸出和推挽輸出的特點(diǎn)，靈活地配置工作模式。7.2.3 電平匹配的電路設(shè)計(jì)電平匹配電路的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活選擇，在本節(jié)以常用的3.3V和5V的電平匹配為例，來講解不同應(yīng)用環(huán)境下電平匹配電路的設(shè)計(jì)。1直接連接雖然電平不同，但是能夠直接連接就再好不過，能夠直接連接需要滿足以下幾種情形。（1）3.3V輸出連接5V器件。 3.3V輸出的Voh大于5V輸入的Vih； 3.3V輸出的Vol小于5V輸入的Vil。通過表7-1中

22、常用電平的參數(shù)可知，能夠使用這種方法的例子之一是將 3.3V LVCMOS輸出連接到5V TTL輸入。（2）5V器件輸出連接3.3V器件。通過表7-1中常用電平的參數(shù)可知通常5V輸出的Voh為4.7V，Vol為0.5V；而通常3.3V LVCMOS和LVTTL輸入的Vih為2V左右，Vil為0.8V左右。因此當(dāng)5V輸出驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，電路連接不會(huì)有問題，而當(dāng)5V輸出為高電平時(shí)，4.7V的Voh大于2.1V的Vih，所以，我們可以直接把兩個(gè)引腳相連，不會(huì)有沖突，但是很重要的一個(gè)前提是芯片I/O能夠容忍5V的電壓，對于本書所介紹的STM32來說部分I/O是容忍5V的，因此在很多應(yīng)用中可以直接連接。

23、2使用MOSFET或者三極管轉(zhuǎn)換如果5V輸入的Vih比3.3V CMOS器件的Voh要高，則驅(qū)動(dòng)任何這樣的5V輸入就需要額外的電路。圖7-5所示為低成本的雙元件解決方案。在選擇R1的阻值時(shí)，需要考慮兩個(gè)參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和R1上的電流消耗。當(dāng)把輸入從0切換到1時(shí)，需要計(jì)入因R1形成的RC時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時(shí)間、5V輸入的輸入容抗，以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關(guān)速度可通過下式計(jì)算： 由于輸入容抗和電路板上的雜散電容是固定的，提高輸入開關(guān)速度的唯一途徑是降低R1的阻值。而降低R1阻值以獲取更短的開關(guān)時(shí)間，卻是以增大5V輸入為低電平時(shí)的電流消耗為代價(jià)的。通常，切換到0要比

24、切換到1的速度快得多，因?yàn)镹溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻要遠(yuǎn)小于R1。另外，在選擇N溝道MOSFET時(shí)，所選MOSFET的VGS應(yīng)低于3.3V輸出的Voh。使用三極管也可以完成同樣的功能，由于三極管為電流型驅(qū)動(dòng)，因此需要在輸入端加入限流電阻，其他電路結(jié)構(gòu)與MOSFET一致，一樣需要考慮電平轉(zhuǎn)換速度的問題。在STM32的應(yīng)用中，針對這種情況，還可以把I/O設(shè)置為開漏輸出，然后在片外使用電阻上拉到5V，其原理和上面介紹的一致，只不過用的是內(nèi)部的MOSFET結(jié)構(gòu)。 圖7-5 使用MOSFET的電平轉(zhuǎn)換電路3使用電阻分壓既然是分壓，針對的當(dāng)然就是高電壓輸出到低電壓的情形。通常，輸出端源電阻RS

25、非常?。ㄐ∮?0W），如果選擇的R1遠(yuǎn)大于RS，那么可以忽略RS對R1的影響。在接收端，負(fù)載電阻RL非常大（大于500kW），如果選擇的R2遠(yuǎn)小于RL，那么可以忽略RL對R2的影響。電路圖如圖7-6所示。 在功耗和瞬態(tài)時(shí)間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯(lián)電阻R1和R2應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容（由雜散電容CS和3.3V器件的輸入電容CL合成）可能會(huì)對輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間產(chǎn)生不利影響。如果R1和R2過大，上升和下降時(shí)間可能會(huì)過長而無法接受。如果忽略RS和RL的影響，代入電壓值，R1和R2的值由下面的公式確定。普通應(yīng)用中可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，在對引腳時(shí)間要求比較嚴(yán)格的

26、應(yīng)用中還必須計(jì)算電平的上升與下降時(shí)間。 4使用二極管補(bǔ)償從表7-1可以看出，5V CMOS輸入的高、低輸入電壓閾值均比3.3V輸出的閾值高約1伏。因此，即使來自3.3V系統(tǒng)的輸出能夠被補(bǔ)償，留給噪聲或元件容差的余地也很小或沒有。我們需要的是能夠補(bǔ)償輸出并加大高低輸出電壓差的電路。設(shè)計(jì)一個(gè)二極管補(bǔ)償電路（見圖7-7），二極管D1的正向電壓（典型值0.7V）將會(huì)使輸出低電壓上升，在5V CMOS輸入得到1.11.2V的低電壓。它安全地處于5V CMOS輸入的低輸入電壓閾值之下。輸出高電壓由上拉電阻和連至3.3V電源的二極管D2確定。這使得輸出高電壓大約比3.3V電源高0.7V，也就是4.

27、04.1V，很安全地在5V CMOS 輸入閾值（3.5V）之上。為了使電路工作正常，上拉電阻必須顯著小于5V CMOS輸入的輸入電阻，從而避免由于輸入端電阻分壓器效應(yīng)而導(dǎo)致的輸出電壓下降。上拉電阻還必須足夠大，從而確保加載在3.3V輸出上的電流在器件規(guī)范之內(nèi)。 5電壓鉗位連接很多廠商都使用鉗位二極管來保護(hù)器件的I/O引腳，防止引腳上的電壓超過最大允許電壓規(guī)范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會(huì)低于Vss 超過一個(gè)二極管壓降，也不會(huì)高于VDD超過一個(gè)二極管壓降。要使用鉗位二極管來保護(hù)輸入，仍然要關(guān)注流經(jīng)鉗位二極管的電流。流經(jīng)鉗位二極管的電流應(yīng)該始終比較?。ㄔ谖矓?shù)量級上）。如果流經(jīng)鉗位二極管

28、的電流過大，就存在部件閉鎖的危險(xiǎn)。由于5V輸出的源電阻通常在10W左右，因此仍需串聯(lián)一個(gè)電阻，限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，如圖7-8所示，圖中是利用芯片內(nèi)部的鉗位二極管，如果芯片I/O結(jié)構(gòu)中不帶有鉗位二極管也可以在外部等效地添加鉗位二極管。使用串聯(lián)電阻的后果是降低了輸入開關(guān)的速度。使用二極管鉗位有一個(gè)問題，即它將向3.3V電源注入電流。在具有高電流5V輸出且輕載3.3V電源軌的設(shè)計(jì)中，這種電流注入可能會(huì)使3.3V電源電壓超過3.3V。為了避免這個(gè)問題，可以用一個(gè)三極管來替代，三極管使過量的輸出驅(qū)動(dòng)電流流向地，而不是3.3V電源。設(shè)計(jì)的電路如圖7-9所示。Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位

29、電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進(jìn)入3.3V軌，絕大部分電流都流向集電極，再從集電極無害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10400V，取決于所使用的晶體管。6使用電壓比較器使用電壓比較器也是非常直接的一種方案，缺點(diǎn)是每一路信號(hào)需要使用一路運(yùn)放或者電壓比較器，電路略微復(fù)雜。比較器的基本工作原理如下：（1）反相（-）輸入電壓大于同相（+）輸入電壓時(shí)，比較器輸出切換到Vss。（2）同相（+）輸入端電壓大于反相（-）輸入電壓時(shí)，比較器輸出為高電平。為了保持3.3V輸出的極性，3.3V輸出必須連接到比較器的同相輸入端。比較器的反相輸入連接到由

30、R1和R2確定的參考電壓處，如圖7-10所示。R1和R2之比取決于輸入信號(hào)的邏輯電平。對于3.3V輸出，反相電壓應(yīng)該置于VOL與VOH之間的中點(diǎn)電壓。對于LVCMOS輸出，中點(diǎn)電壓為：  圖7-10 使用電壓比較器的電平轉(zhuǎn)換電路如果R2取值1K則R1取值1.8K。要使運(yùn)算放大器在5V供電下正常工作，輸出必須具有軌到軌驅(qū)動(dòng)能力。7使用電平轉(zhuǎn)換器件雖然本節(jié)中介紹了多種使用分立器件的電平轉(zhuǎn)換方法，但是如果針對過多的電平轉(zhuǎn)換，無疑會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，而且以上轉(zhuǎn)換多數(shù)還是單方向電平轉(zhuǎn)換，在各種參數(shù)上也受到諸多限制，在這種情況下使用多通道電平轉(zhuǎn)換芯片則是最好的選擇。電平轉(zhuǎn)換器的使

31、用范圍比較廣泛：有單向和雙向配置、不同的轉(zhuǎn)換電壓和速度，在實(shí)際使用中需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇最佳的方案。器件之間的板級通信（例如，MCU至外設(shè)）往往通過SPI或I2C來進(jìn)行，這是最常見的。對于SPI，使用單向電平轉(zhuǎn)換器比較合適；對于I2C，就需要使用雙向解決方案。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有SN74ALVC164245等。7.3 嵌入式系統(tǒng)通信形式的匹配不同的外部設(shè)備在同嵌入式微處理器相連接時(shí)，即使是同一類型的接口也往往存在著通信速度、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型等一系列的問題，而嵌入式處理器在設(shè)計(jì)時(shí)為了適應(yīng)不同的外部設(shè)備，其端口大多可以根據(jù)實(shí)際外部設(shè)備的需求而通過寄存器對接口的工作方式進(jìn)行靈活配置，因此在進(jìn)行

32、嵌入式系統(tǒng)的接口應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)連接的外設(shè)弄清楚接口的工作方式并清楚微處理器對應(yīng)的接口配置。通信速度匹配，不同功能的外設(shè)對通信速度有著不同的要求，在異步通信中具有不同通信速度的設(shè)備之間是無法通信的，如UART、485總線、CAN總線等。在能夠正常進(jìn)行通信的情況下，速度的選擇也要視情況而定，例如高速AD，由于有著大數(shù)據(jù)量的模擬量采集，因此需要很高的通信速度來完成采集數(shù)據(jù)的傳輸，而像微型打印機(jī)之類的設(shè)備，通信的數(shù)據(jù)量則非常有限，因此針對不同的應(yīng)用通信速度需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用綜合考慮。數(shù)據(jù)格式匹配，數(shù)據(jù)位數(shù)是8位還是16位，在串行通信中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)高位在前還是低位在前，同步串行通信中采樣時(shí)間是在

33、時(shí)鐘信號(hào)上升沿還是下降沿，這些都是在通信中可能遇到的格式問題。在絕大多數(shù)微控制器中都可以通過配置寄存器的方式對這些進(jìn)行靈活配置，微控制器與外部設(shè)備連接時(shí)一定要弄清楚外部設(shè)備接口詳細(xì)的數(shù)據(jù)格式，并做出針對性的配置。7.4 嵌入式系統(tǒng)的電氣隔離7.4.1 電氣隔離概述1電氣隔離的必要性電氣隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制干擾保護(hù)電路不受危險(xiǎn)電壓和電路危害的效果，使電子電氣設(shè)備符合電磁兼容性的要求，同時(shí)提升設(shè)備的可靠性。由于有的嵌入式系統(tǒng)需要工作在環(huán)境較為惡劣的環(huán)境中，可能受到電網(wǎng)諧波、雷擊浪涌、高頻干擾、電磁干擾等各種形式的干擾，因此，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)

34、計(jì)各種抗干擾措施，而電氣隔離是最重要，也是普遍需要的一種抗干擾方式。將嵌入式系統(tǒng)或者嵌入式系統(tǒng)的主要控制電路與供電電源、大功率設(shè)備、主要通信接口等進(jìn)行電氣隔離，可以有效保證嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。例如嵌入式系統(tǒng)通過隔離電源，即與供電電源隔離就可以避免供電電源中的諧波、脈沖等干擾，如果嵌入式控制器控制一些大功率設(shè)備，則可以將兩者電源和控制信號(hào)分別進(jìn)行隔離，這樣可以避免大功率設(shè)備運(yùn)行過程中造成電壓波動(dòng)、產(chǎn)生干擾等對微控制器造成影響。2需要電氣隔離的場合采用隔離技術(shù)的場合主要有兩種：一種是在有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的應(yīng)用中進(jìn)行電氣隔離，如醫(yī)療上的應(yīng)用、電動(dòng)機(jī)控制、總線隔離等方面。第二種情況是：必須避

35、免存在不同電位和分裂的接地回路的互聯(lián)。兩種情況都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)或者功率傳送。在許多嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，經(jīng)常需要數(shù)據(jù)鏈路之間進(jìn)行非直接的導(dǎo)電連接，從而避免來自系統(tǒng)某一部分的危險(xiǎn)電壓（或電流）對其他部分造成破壞，或者避免系統(tǒng)中某一部分電路損壞時(shí)連帶對其他電路造成影響和破壞，從而使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。造成這種破壞的原因可能是電源供電故障、接地故障、雷擊和浪涌等情況。此外，在通信節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中，不同的節(jié)點(diǎn)可能位于不同的區(qū)域，并采用獨(dú)立的供電系統(tǒng)，這些區(qū)域之間的電位差（可能含有DC偏壓、AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲等）也有可能造成破壞。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還有可能發(fā)生通信電纜損壞以及

36、人為的一些錯(cuò)誤等，使通信線路出現(xiàn)重大錯(cuò)誤，如果各通信節(jié)點(diǎn)沒有和通信線路之間進(jìn)行隔離則有可能出現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)的損壞，因此在嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中，需要和多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的通信接口一般是需要進(jìn)行電氣隔離的。3電氣隔離的類型根據(jù)隔離的信號(hào)類型不同，電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉(zhuǎn)換器隔離法等多種，本節(jié)將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的幾種隔離方法。7.4.2 供電系統(tǒng)的隔離1交流供電系統(tǒng)的隔離由于交流電網(wǎng)中存在著大量的

37、諧波，雷擊浪涌，高頻干擾等噪聲，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備，都應(yīng)采取抑制來自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因?yàn)?，雖然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè)，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵芯之間，繞組之間，層匝之間和引線之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會(huì)通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設(shè)備的電磁兼容性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（Nois

38、e Cutout Transformer，簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵芯材料，形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。由于在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，主要的控制電路部分都采用直流電源，因此在普通的應(yīng)用中交流供電的隔離只需要普通的變壓器即可，在有特殊需求的系統(tǒng)中需要額外考慮。2直流供電系統(tǒng)的隔離當(dāng)控制裝置和電子電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時(shí)，它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離，其隔離方式如下：第一

39、種是在交流側(cè)使用隔離變壓器；第二種是使用DC/DC隔離變換器。使用隔離變壓器的設(shè)計(jì)示意電路如圖7-11所示。此種方式適用于系統(tǒng)使用交流供電的場合，需要進(jìn)行隔離的電路通過不同的變壓器與交流電源連接，每個(gè)電路有自己獨(dú)立的整流、變壓等電路。這種方式的缺點(diǎn)是普通變壓器體積較大，同時(shí)會(huì)增加電路的設(shè)計(jì)成本，而且只適用于系統(tǒng)采用交流供電的場合。 圖7-11 使用變壓器進(jìn)行的直流供電系統(tǒng)隔離DC/DC隔離變換器具有體積小，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用，目前很多公司都推出了不同功率和隔離級別的DC/DC 隔離變換器，可以適合各種場合的應(yīng)用。如圖7-12所示，為MORNSUN PWE_

40、D-6W & PWF_D-6W系列DC/DC隔離電源模塊，該系列模塊產(chǎn)品特點(diǎn)如下：（1）效率高達(dá)84%；（2）工作溫度：-40+85；（3）隔離電壓3000VDC；（4）輸出短路保護(hù)（自恢復(fù)）；（5）內(nèi)部貼片化設(shè)計(jì)；（6）國際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式；（7）MTBF1 000 000 h；（8）符合RoHS指令；（9）高低溫特性好，滿足工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求。 圖7-12 DC/DC電源模塊7.4.3 數(shù)字信號(hào)的隔離數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的傳輸。數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商

41、很多，如安華高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX系列、芯科實(shí)驗(yàn)室的SI84XX等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛應(yīng)用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離及電容隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器件。在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的隔離時(shí)應(yīng)該從以下三個(gè)方面綜合考慮：（1）通信速度：不同的隔離方式有不同的通信速度限制，由于不同的數(shù)字接口可能有較大的速度差異，而較快通信速度的通信接口隔離成本也較高，因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求選擇合適的隔離方式。（2）功耗限制：不同的隔離方式功耗差別較大，比如光電隔離，由于是使用LED發(fā)光

42、的方式傳遞信號(hào)，因此相應(yīng)的功率較大，在數(shù)字信號(hào)路數(shù)較多時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮相應(yīng)的功耗問題。（3）電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度：有的隔離期間需要通過一些外部電路的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)隔離信號(hào)的傳遞，如果單路信號(hào)的隔離電路較為復(fù)雜，那么在數(shù)字信號(hào)路數(shù)過多時(shí)就會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。下面就結(jié)合上面所介紹的幾個(gè)方面分別介紹一下幾種常見隔離方式的工作原理以及應(yīng)用電路。1光電隔離光電隔離器（Optoelectronic Isolator，簡稱OC）也稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如空氣間隙）上的光傳輸，完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。是應(yīng)用最為廣泛的隔離方式。光耦合器一般由三部

43、分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信

44、號(hào)對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。最為常用的光電隔離電路如圖7-13所示，應(yīng)用最為普遍的光電耦合器如東芝TLP521等都可以使用此電路，電路的輸入端使用一個(gè)限流電阻，輸出端使用一個(gè)分壓電阻，當(dāng)左側(cè)輸入端輸

45、出高電平點(diǎn)亮LED，右側(cè)接收到光信號(hào)后電阻變小，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平，如果要使輸入輸出端電平狀態(tài)一致，可以將左側(cè)改為灌電流輸入的方式或者將右側(cè)分壓電阻接地連接。此電路還可以用于電平的轉(zhuǎn)換，LED發(fā)射端通過限流電阻的配合可以承受比較寬的電壓范圍，因此可以實(shí)現(xiàn)不同的工作電壓電平轉(zhuǎn)換，這種形式經(jīng)常應(yīng)用于一些開關(guān)量控制或讀取的電路中。 由于很多功率驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常需要進(jìn)行電氣隔離，因此將驅(qū)動(dòng)電路與光電耦合器結(jié)合就成為具備功率驅(qū)動(dòng)功能的光耦，如東芝公司的TLP250，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所圖7-14如示。光耦采用8腳DIP封裝，有一個(gè)光耦和一個(gè)推挽輸出電路組成，最大可以輸出1.5A電路，可以直接

46、驅(qū)動(dòng)IGBT、MOSFET等功率器件，極大方便了電路的設(shè)計(jì)，類似的產(chǎn)品還有安捷倫公司的HCPL-3120具備最大2.5A的輸出電流。 普通的光電耦合器由于完成光電轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，只適合在通信速率要求不高的情況下使用，如上文介紹的TLP521，在串口應(yīng)用中9600以下的波特率還能夠正常工作，再高的波特率就無法使用，因此在需要對高速信號(hào)進(jìn)行隔離的場合需要使用針對高速隔離設(shè)計(jì)的高速光耦，6N137光耦合器是最常見的用于單通道隔離的高速光耦合器，其內(nèi)部由一個(gè)850 nm波長AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測器組成，其檢測器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極

47、管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10Mbps非常適合用于各種高速通信接口等高速數(shù)字信號(hào)的隔離。與6N137類似的還有HCPL-2601/2611，雙通道的HCPL-2630/2631等。其封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-15所示。由于光電耦合隔離本身的一些特點(diǎn)，它還存在幾個(gè)比較嚴(yán)重的缺點(diǎn)，同本節(jié)前面介紹的進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)所需要考慮的幾個(gè)問題，光電隔離技術(shù)的缺點(diǎn)有：（1）功耗大，由于需要LED進(jìn)行信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)換，LED發(fā)射端需要約10mA的電流，路數(shù)較多時(shí)功耗大的缺點(diǎn)尤為明顯。（2）電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，以電

48、路結(jié)構(gòu)較為簡單的TLP521為例，進(jìn)行一路信號(hào)的隔離就需要使用一個(gè)DIP4封裝的芯片和兩個(gè)電阻，在進(jìn)行多路信號(hào)的隔離時(shí)會(huì)使電路設(shè)計(jì)、PCB布線更為復(fù)雜。（3）通信速度受限，難以通信速率更高的應(yīng)用。（4）LED老化等影響隔離器件的使用壽命。然而，由于光電隔離具有成本低、使用靈活等優(yōu)勢，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用，很多情況下仍然是首選的隔離方式。2電磁隔離與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應(yīng)用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實(shí)現(xiàn)通信。變壓器是一個(gè)最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結(jié)構(gòu)（單位長度的圈數(shù)）、磁芯介電常數(shù)及電流強(qiáng)度決定了磁場強(qiáng)度

49、。電感耦合的優(yōu)勢之一是可以在不明顯降低差模信號(hào)的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個(gè)優(yōu)勢是信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換效率極高，因而可以實(shí)現(xiàn)低功耗隔離器。電感耦合的缺點(diǎn)之一是易受外部磁場（噪聲）的干擾。在馬達(dá)控制等工業(yè)應(yīng)用在磁場環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個(gè)值得關(guān)注的問題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長度（Data Run-length）（連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目）的傳輸。初級繞組與次級繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號(hào)。數(shù)據(jù)游程長度的限制或時(shí)鐘編碼要求信號(hào)必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內(nèi)。用電感耦合技術(shù)的通用數(shù)字隔離器要求信號(hào)處理隨同傳輸?shù)皖l率信號(hào)（1或0長字符）的方法共同對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳

50、輸和重新構(gòu)建。ADI（美國模擬器件公司）推出的iCoupler就使用了編碼功能，并提供了支持從DC到100Mbps運(yùn)行范圍的數(shù)字隔離解決方案。ADuM磁隔離是對ADI推出的ADuM、ADM系列數(shù)字隔離芯片的統(tǒng)稱，是目前應(yīng)用最為廣泛的電磁隔離系列產(chǎn)品。ADuM磁隔離芯片采用ADI專利的iCoupler技術(shù)，即芯片級變壓器隔離技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸。如圖7-16所示，對于輸入ADuM磁隔離芯片的數(shù)字信號(hào)，會(huì)先經(jīng)過一個(gè)施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖信號(hào)調(diào)整，使輸入的波形為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。然后經(jīng)過編碼電路，以邊沿觸發(fā)的形式，將上升沿編碼成一個(gè)1ns寬的脈沖；而將下降沿編碼成兩個(gè)1ns寬的脈沖。經(jīng)變壓器耦合

51、，然后經(jīng)過解碼電路以相同的原理將信號(hào)還原，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖信號(hào)調(diào)整后，將信號(hào)輸出。 圖7-16 ADuM磁隔離內(nèi)部結(jié)構(gòu)此外，ADuM磁隔離芯片還獨(dú)具直流較正功能，如果輸入端邏輯電平超過2mS都沒有任何變化，則校正電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)極性的校正脈沖，以確保變壓器直流端輸出信號(hào)的正確性，如果解碼器一端超過5mS都沒有收到任何校正脈沖，則會(huì)認(rèn)為輸入端已經(jīng)掉電或不工作，由看門狗電定時(shí)器電路，將輸出端強(qiáng)行置為固定狀態(tài)。這對低速率信號(hào)或直流信號(hào)具有很重要的意義。電磁耦合的主要缺點(diǎn)是對外部磁場（噪聲）的磁化和受外部磁場干擾，那么ADuM系列在這方面的性能如何呢？iCoupler器件受外部磁

52、場的影響較小，因?yàn)樽儔浩鞯某叽鐦O小，其直徑大約只有0.3mm。例如我們將一個(gè)頻率為1MHz的電流置于距離iCoupler變壓器5mm遠(yuǎn)處，要想破壞iCoupler的性能，其電流必須達(dá)到500A。這是一個(gè)頻率較高，強(qiáng)度較大的磁場。盡管采用iCoupler器件的系統(tǒng)中包含了發(fā)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和其他涉及到強(qiáng)磁場的設(shè)備，但是還沒有任何一個(gè)客戶的應(yīng)用會(huì)達(dá)到甚至接近這么高的磁場，所以，iCoupler產(chǎn)品抗外部磁場干擾能力極強(qiáng)。ADuM磁隔離芯片采用磁隔離技術(shù)，與光耦的光電轉(zhuǎn)換有本質(zhì)區(qū)別。不僅克服了光耦的體積大、老化、速率低、功耗高等缺點(diǎn)，部分型號(hào)還集成了RS-485、RS-232等通信功能。（1）體積?。?/p>

53、最多集成5通道隔離，可降低70%以上PCB面積。iCoupler磁耦產(chǎn)品是用薄片加工技術(shù)制造的，因此，多隔離通道能夠有效地與其他半導(dǎo)體功能結(jié)合起來，例如，圖7-17顯示了一個(gè)典型的使用光耦的多路隔離設(shè)備和iCoupler磁耦技術(shù)在尺寸和成本上的比較。在圖中我們可以看到，iCoupler磁耦技術(shù)在整體上的好處是能夠減少40%60%的尺寸和成本。 （2）性能高：更高的速率、更快的傳輸時(shí)間，瞬態(tài)共模抑制達(dá)25kv/m。因采用高速CMOS技術(shù)與芯片級變壓器技術(shù)相結(jié)合，因此在速率、傳輸延遲時(shí)間、瞬態(tài)共模抑制等方面均有光耦無法比擬的優(yōu)勢，可整體提升產(chǎn)品性能10倍以上。（3）低功耗：最低可達(dá)0.8

54、mA/通道。光耦因需要驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，所以一般需要較大的工作電流。而ADuM磁隔離芯片采用CMOS電路，功耗僅相當(dāng)于光耦的1/10。（4）簡化電路：無須限流與上拉電阻。所有的iCoupler磁耦產(chǎn)品都有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS數(shù)字輸入輸出接口，因此，沒有外部組成部分需要通過其他數(shù)字設(shè)備連接到磁耦。此外，iCoupler磁耦產(chǎn)品的性能在溫度，電壓和整個(gè)壽命中是極穩(wěn)定的。因此磁耦能夠被快速地被應(yīng)用到任何設(shè)計(jì)中而不需要復(fù)雜聯(lián)合的光耦。ADuM系列芯片型號(hào)豐富，提供了非常豐富的型號(hào)，單向隔離器主要有單通道數(shù)字隔離ADuM1100/3100，雙通道數(shù)字隔離ADuM120X/121X/220X/320X/321X，

55、三通道數(shù)字隔離ADuM130X/131X/330X，四通道數(shù)字隔離ADuM140X/141X/240X/340X/344X以及五通道數(shù)字隔離ADuM1500等，同時(shí)還有雙向雙通道數(shù)字隔離器ADuM125X等型號(hào)。ADuM系列還具有和收發(fā)器相結(jié)合的隔離型收發(fā)器系列，如隔離型RS-232收發(fā)器ADuM3251E等，隔離型RS-485/422收發(fā)器ADuM2490E等，以及一系列磁耦隔離電源，集成A/D轉(zhuǎn)換器的隔離器件等產(chǎn)品。3電容隔離電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體，即隔離層。電極板的大小、板間距離及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)

56、勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實(shí)現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，同樣需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。下面以較為常用的TI公司的ISO721電容隔離芯片來簡要說明一下電容隔離的基本原理。ISO721的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-18所示。 圖7-18 ISO721內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于電容耦合存

57、在帶寬限制，因此該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號(hào)路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率通道（稱作AC通道），另一條為低數(shù)據(jù)速率通道（稱作DC通道）。AC通道傳輸介于100 kbps和100 Mbps之間的信號(hào)，而DC-通道則涵蓋了從100 kbps到DC的范圍。高速信號(hào)由AC通道來處理，信號(hào)在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式，然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài)。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖，從而設(shè)置和重置一個(gè)“或非”門觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號(hào)的觸發(fā)器輸出反饋至判定邏輯（DCL）和輸出多路復(fù)用器。DCL包括一個(gè)看門狗定時(shí)器，該定時(shí)器用于測量信號(hào)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間。如果兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間

58、超出定時(shí)窗口（如低頻信號(hào)的情況下），DCL則指示輸出多路復(fù)用器從AC通道切換到DC通道。由于低頻信號(hào)要求大容量電容器，而這種電容器使片上集成變得很困難，因此DC通道的輸入要有脈寬調(diào)制器（PWM）。該調(diào)制器利用一個(gè)內(nèi)部振蕩器（OSC）的高頻載波對低頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在AC通道中對調(diào)制后信號(hào)的處理過程與高頻信號(hào)相同。然而，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號(hào)以前，需通過一個(gè)最終低通濾波器（LPF）濾除高頻PWM載波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號(hào)。相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其DC通道在上電和信號(hào)丟失（LOS）事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會(huì)在上電期

59、間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號(hào)丟失以前一直保持在最后一個(gè)輸入極性。電容隔離的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容123毫微微法拉（123×10-15F）的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實(shí)現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸。隔離器電流消耗高度依賴于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比雙通道隔離器，電感型隔離器似乎具有最低的DC電源電流。這是因?yàn)樵撈骷话?條信號(hào)通道。而電容隔離器包含4條通道：2條AC通道和2條DC通道。因此，其DC的電流消耗更高，而且其可靠性也更高，因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。以上介紹了三種常用的電氣隔離技術(shù)，三種技術(shù)的典型器件對比如表7-4所示。表7-4 三種電氣隔離期間參數(shù)對比模擬電路的隔離比較復(fù)雜，要考慮模擬信號(hào)的精度、線性度、頻率響應(yīng)、噪聲響應(yīng)等，特別要考慮系統(tǒng)對傳