USB隔離

　　總之，USB與RS-232相比具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：可擴(kuò)展到127個(gè)外設(shè)；即插即用操作；熱插拔能力；高數(shù)據(jù)速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)；兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；在PC上廣泛普及。

　　盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但USB在醫(yī)療系統(tǒng)" title="醫(yī)療系統(tǒng)">醫(yī)療系統(tǒng)中的普及速度沒有像在其它消費(fèi)類應(yīng)用中那么快。醫(yī)療領(lǐng)域與其它領(lǐng)域的區(qū)別在于隔離要求。盡管USB與RS-232相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但事實(shí)表明，隔離USB接口并不像隔離其它接口那樣簡單。

　　USB難以隔離，因?yàn)樗遣罘帧㈦p向接口，并且需要配置(通過上拉和下拉)電阻指示總線速度。僅雙向這一特性就具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸仨氁媚撤N方法來確定數(shù)據(jù)傳送的方向。在隔離型USB接口中，這個(gè)信息必須能穿越過隔離阻障?？刂屏饔蓴?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定，而不是控制信號(hào)。

　　USB接口由4根線組成：VDD、D+、D–、VSS。

　　VDD是5V電源，VSS是參考地，D+和D-是差分信號(hào)。使事情變得更復(fù)雜的是，D+和D-還能用來發(fā)送單端數(shù)據(jù)，并且能用來判斷總線狀態(tài)?？偩€外設(shè)側(cè)的上拉和下拉電阻用于設(shè)置USB接口的速度和空閑狀態(tài)。根據(jù)定義，數(shù)據(jù)能按以下三種速率中的一種進(jìn)行傳送：1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)。

　　USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持全部三種數(shù)據(jù)速率(USB 1.1只支持低速和全速數(shù)據(jù)速率)。值得注意的是，一個(gè)器件即使不支持480Mbps也可以稱為USB 2.0兼容器件。

　　因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)光耦天生就是單向器件，因此使用光耦或其它單向隔離器的隔離接口必須先把USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組單向信號(hào)，如圖2所示(圖中沒有畫出EEPROMS，但它常被用來存儲(chǔ)用于信號(hào)轉(zhuǎn)換的代碼)。在這個(gè)例子中，來自微控制器的D+/D-線被轉(zhuǎn)換成單端、單向的SPI信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)隔離后再使用USB串行接口引擎或USB控制器轉(zhuǎn)換回USB信號(hào)。這個(gè)控制器增加了多個(gè)元件，并增加了走線數(shù)量，而不再是簡單的雙線總線。這種方法不僅代價(jià)高，占用相當(dāng)大的電路板面積，并且需要額外的設(shè)計(jì)時(shí)間，部分原因是微控制器需要軟件配置。這種實(shí)現(xiàn)方式的復(fù)雜性是造成醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)師對(duì)USB的采納較遲緩的主要原因。

　　圖1：隔離USB接口的可選方式。其中左圖給出了使用微控制器和串行接口引擎將D+/D-信號(hào)轉(zhuǎn)換成單向單端SPI的配置方法。右圖是更簡單的方法，ADuM4160 USB隔離" title="USB隔離">USB隔離器可被插入D+/D-信號(hào)路徑中，不需要另外的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。

　　單封裝USB隔離

　　更簡單、在成本和面積方面更具效益的USB隔離方法是使用專門的USB隔離器，這種隔離器可以直接插入到D+/D- USB信號(hào)路徑。這樣的隔離技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)存在，能提供高達(dá)5kV rms的增強(qiáng)型隔離，并支持低速和全速數(shù)據(jù)速率。

　　與光耦不同，光耦使用LED和光敏晶體管并通過光傳輸將數(shù)據(jù)送過隔離阻障，而基于更新技術(shù)的隔離器使用平面變壓器" title="變壓器">變壓器將數(shù)據(jù)送過20μm厚的聚酰亞胺絕緣層，這個(gè)絕緣層能承受6kV rms電壓。數(shù)據(jù)發(fā)送是靠從一個(gè)線圈到另一個(gè)線圈的感應(yīng)完成的。圖3是這種變壓器的結(jié)構(gòu)。圖4說明了數(shù)據(jù)流的上升和下降沿分別是如何編碼為兩個(gè)或單個(gè)1ns脈沖的。這些脈沖在接收器側(cè)經(jīng)過解碼來還原發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　圖2：平面變壓器示意圖。線圈被20μm厚的聚酰亞胺絕緣層所隔離，這種絕緣層的隔離額定值可高達(dá)6kV rms、1分鐘。

　　圖3：將數(shù)據(jù)送過隔離物的方法。上升和下降沿分別被編碼為兩個(gè)和單個(gè)脈沖。接收器通過解碼這些脈沖在隔離物另一側(cè)再生數(shù)據(jù)流。刷新電路不斷地每隔1ms重傳一次數(shù)據(jù)，以確保直流電壓正確性。

　　與光耦相比，使用單個(gè)封裝的專用USB隔離器有很多好處。使用變壓器允許數(shù)據(jù)透過隔離物進(jìn)行雙向傳送。雖然這種技術(shù)使用專用變壓器進(jìn)行發(fā)送和接收信號(hào)，但所有線圈都是相同的，并包含在一個(gè)封裝內(nèi)。這種方法用光耦是無法實(shí)現(xiàn)的。采用光耦的類似設(shè)置需要使用獨(dú)立的器件處理每個(gè)方向的通信。

　　變壓器的速度本來就比光耦中使用的LED-光敏晶體管組合要快，因此允許隔離器支持USB所要求的更快數(shù)據(jù)速率和更短傳播延時(shí)。同時(shí)，這種隔離器的功耗較低，能夠滿足USB嚴(yán)格的待機(jī)功耗需求。

　　這種隔離技術(shù)的最關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能夠在隔離器產(chǎn)品中集成額外的功能。這種集成帶來的空間節(jié)省效果如圖2所示，與USB收發(fā)器加光耦的多IC配置相比，USB隔離器占用的電路板面積可以減少75%。

　　借助于這種在成本和面積方面更具效益且很容易實(shí)現(xiàn)的USB隔離技術(shù)，醫(yī)療設(shè)備就可以充分利用USB的優(yōu)勢(shì)。例如在醫(yī)療系統(tǒng)中，家用病人監(jiān)護(hù)儀上的隔離型USB端口可以實(shí)現(xiàn)家中病人與醫(yī)院醫(yī)生之間的實(shí)時(shí)連接，從而提供更好更準(zhǔn)確的健康護(hù)理。采用隔離型USB后，這種家用病人監(jiān)護(hù)儀可以連接到PC，然后通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到醫(yī)院。只要經(jīng)過IEC 60601醫(yī)療等級(jí)安全認(rèn)證，帶隔離型USB的系統(tǒng)甚至能在電擊除顫過程中保持與病人的連接。

　　本文小結(jié)

　　USB的廣泛使用對(duì)想要充分利用USB優(yōu)勢(shì)的醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)師提出了挑戰(zhàn)。隔離這些系統(tǒng)中的USB相當(dāng)困難，代價(jià)也很高，而且不能有損于使用USB所帶來的功能增強(qiáng)和最終成本效益。幸運(yùn)的是，新型的USB隔離器已被開發(fā)出來解決這個(gè)問題。這種技術(shù)可以直接隔離差分、雙向的D+/D- USB信號(hào)線。