串行总线USB隔离的详细资料说明

　　通用串行总线（USB）已经成为外围设备与个人计算机连接的标准方式。如果一个与 PC 连接的设备需要电气隔离，USB 将是一个很自然的选择接口。USB 的两个著名的隔离应用是基于 PC 平台的医疗设备和具有很大地电位差的工业应用。

　　USB 基础信号

　　USB 具有以下三种工作速率：

　　低速，1.5Mbps

　　全速，12Mbps

　　高速，480Mbps

　　本文讨论全速（12Mbps） USB 连接的光隔离，12Mbps 的速度可满足一般数据传输的带宽要求，设计中使用廉价光耦，支持足够的数据传输速率。 USB 连接器包含四条线：2 条用于电源供电（VBUS 和 GND），2 条用于 USB 数据传输（D+和 D-）。VBUS 提供 5V 电源，电流可达 500mA。D+和 D- 为双向信号线，信号传输速率为 12Mbps （每位 83ns）。D+和 D- 信号电平为 3.3V。

　　USB 外设结构框图如图 1 所示。从右至左来看该图，USB 收发器连接至 D+和 D-，发送或接收数据都由 OE （输出使能）控制。中间单元是 USB 串行接口引擎（SIE），其作用是将总线信号（由收发器发送和接收）转换成字节数据或 USB 信号，以供 USB 外设使用。最左边的单元是应用电路，可能是微处理器、专用集成电路或数字信号处理器（DSP）。

　　使用外置收发器的 USB 外设其收发器接口暴露在外部，对于这些单向信号可以考虑使用光耦隔离。尽管如此，这个位置和位置 1 有着相同问题：数据速率过高，而且有多路 12MHz 速率的信号需要隔离。VPO、VMO、RCV、VPI 和 VMI 信号都运行在 12MHz 速率，必须严格保持这些信号传输延迟、偏差的一致性。此外，现代 USB 设计中将 SIE 和收发器集成在同一芯片，也很难获得这个接口。

　　这是最有希望实现隔离的位置，这个接口工作速率低于 USB 数据速率和线速率，且该接口可以完全由单向信号构成。事实上，一个理想的接口应该只使用少量单向信号，且这些信号的数据速率远低于 USB 的 12MHz 信号速率。符合这些要求的理想接口是 SPI （串行外围设备接口），该接口由 Motorola 定义，现已用于许多半导体器件。由于其简单、高效，SPI 成为非常流行的接口。