串行通信由于其工作特點(diǎn)（按位傳輸易受干擾、遠(yuǎn)距離 信息交換）、應(yīng)用場(chǎng)合（惡劣環(huán)境的工業(yè)控制、戶(hù)外等）、 器件間電平匹配（兩側(cè)器件的工作電平不一致等），需要做相應(yīng)的隔離防護(hù)。通過(guò)隔離，達(dá)到以下目的。

（1）器件保護(hù)，防護(hù)隔離在電子器件高速發(fā)展的今天，低功耗、高封裝的芯片應(yīng)用廣泛。微處理器的低電壓工作條件和外圍器件的高電壓工作環(huán)境，其發(fā)展進(jìn)程不一。當(dāng)前微處理器芯片電平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低電壓器件為主，而且隨著不同工作電壓的數(shù)字IC的不斷涌現(xiàn)，邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出。例如STM32控制器的3.3V輸入輸出I/O與傳統(tǒng)串行通信接口芯環(huán)境，其發(fā)展進(jìn)程不一。當(dāng)前微處理器芯片電平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低電壓器件為主，而且隨著不同工作電壓的 數(shù)字 IC 的不斷涌現(xiàn)，邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出。例如 STM32控制器的3.3V輸入輸出I/O與傳統(tǒng)串行通信接口芯 片MAX232的TTL電平為輸入標(biāo)準(zhǔn)，格格不入。因此，為 了實(shí)現(xiàn)控制器與通信接口芯片間的電平匹配，保護(hù)控制器引腳因過(guò)高或者過(guò)低的工作電壓而受損，加入隔離器件尤其必要。

（2）屏蔽干擾，線(xiàn)路隔離由于較多串行通信設(shè)備工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境或配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葪l件下，因此在長(zhǎng)線(xiàn)通訊中線(xiàn)路上往往會(huì)感應(yīng)出明顯的干擾信號(hào)，造成通信過(guò)程的偶發(fā)性錯(cuò)誤，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。引入干擾信號(hào)的來(lái)源包括空間輻射、串?dāng)_、系統(tǒng)噪聲等。例如RS － 232C通信中由于其采用單端信號(hào)傳輸模式，當(dāng)通信雙方的不同地線(xiàn)之間的地電位不一致時(shí)，就會(huì)引入共模干擾電壓，造成通信的不穩(wěn)定。

串行通信中，通過(guò)通信線(xiàn)路屏蔽可以減少輻射干擾的影響，通過(guò)差分方式信號(hào)傳輸方式可以減少共模干擾電壓的影響，但為應(yīng)對(duì)器件保護(hù)而進(jìn)行的電平變換和為減少干擾而設(shè)計(jì)的線(xiàn)路隔離，仍必不可少。

串行通信隔離的方法應(yīng)用

（1）分立器件隔離技術(shù)

在隔離設(shè)計(jì)需要中，器件間電平變換隔離方法可采用單純的分立器件完成。電平變換的最終目的就是實(shí)現(xiàn)工作單元兩側(cè)的電平根據(jù)各自需要而定。分立器件隔離方法主要利用的就是電阻與晶體管的合理搭配，使得輸入 / 輸出間的電平實(shí)現(xiàn)匹配。利用MOS管的開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)電平變換，是常規(guī)有效的方法。此種隔離方法，一般為共地隔離，僅完成電平變換，做到保護(hù)器件功能，非系統(tǒng)間電氣隔離。

（2）光電耦合器隔離技術(shù)

光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦，是一種以光為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸?shù)囊活?lèi)器件。其工作原理是把發(fā)光器（發(fā)光器件）與感光器（光敏器件）封裝在芯片內(nèi)部，通過(guò)外加在輸入端的電信號(hào)控制發(fā)光器發(fā)光，感光器在內(nèi)部光照的情況下，產(chǎn)生電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出端，實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。由于光耦兩側(cè)的電信號(hào)完全隔離，內(nèi)部以光為傳輸媒介， 因此，光耦輸入/輸出之間絕緣，可以完成單向信號(hào)的隔離傳輸，在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛。普通光耦（TLP521）在隔離電路中的應(yīng)用，受限于器件特點(diǎn)，其傳輸特性低頻效果較好，高頻信號(hào)傳輸失真嚴(yán)重。實(shí)際電路測(cè)試中，115kbp的串行通信頻率，通過(guò)電路器件參數(shù)匹配和電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可基本適應(yīng)。從東芝半導(dǎo)體公司光 耦產(chǎn)品系中可知，其通信速率涵蓋了20kbps ～ 50Mbps， 因此在高速通信傳輸時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用高速光耦。

（3）新型隔離技術(shù)

在產(chǎn)品日新月異的時(shí)下，新器件層出不窮。主流芯片商德州儀器（TI）、亞諾德半導(dǎo)體（ADI）和芯科科技（Silicon Labs）分別研發(fā)了電容隔離、磁耦隔離、射頻隔離等不同類(lèi)型的數(shù)字隔離器。

電容隔離

電容隔離，利用了電容極板間填充材料為絕緣物質(zhì)為隔離層，通過(guò)內(nèi)部電場(chǎng)的變化來(lái)完成信號(hào)的傳輸。TI公司的ISO72x系列為典型電容隔離技術(shù)的應(yīng)用。在電容隔離功能中，信號(hào)傳輸通道分為“低頻通道”與 “高頻通道”。低頻信號(hào)通過(guò)內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生的高頻載波與PWM調(diào)制，通過(guò)差分方式進(jìn)行調(diào)制傳輸。輸出端低通濾波去除高頻載波。高頻信號(hào)則不經(jīng)過(guò)調(diào)制編碼，差分變換后直接通過(guò)隔離層傳輸，輸出端通過(guò)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行邏輯決策，從而控制輸出多路選擇器正確輸出。

磁耦隔離

磁耦隔離，利用了變壓器原理，使用變壓器初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈兩者之間通過(guò)磁耦合方式進(jìn)行信號(hào)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)隔離效果。ADI公司的iCoupler專(zhuān)利技術(shù)，就是基于芯片內(nèi)空芯變壓器的磁隔離技術(shù)。ADUM系列為典型磁耦隔離技術(shù)的應(yīng)用。

iCoupler磁隔離技術(shù)，通過(guò)芯片內(nèi)部特征尺寸上實(shí)現(xiàn)的空芯變壓器初級(jí)與次級(jí)線(xiàn)圈間的磁耦合實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。信號(hào)傳輸采用了特定短脈沖組合方式來(lái)表示高低電平。兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示高電平，單個(gè)短脈沖表示低電平。輸出端根據(jù)檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定輸出電平狀態(tài)。刷新器電路與看門(mén)狗電路提供了輸入端電平狀態(tài)與輸出端故障安全狀態(tài)方面的保障。

射頻隔離

射頻隔離，利用了無(wú)線(xiàn)射頻傳輸原理。在發(fā)送端，完成基于高頻信號(hào)的原始信號(hào)調(diào)制，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送。在接收端， 通過(guò)解調(diào)器完成已調(diào)信號(hào)的解調(diào)，恢復(fù)原始信號(hào)。通過(guò)這樣的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)隔離的效果。Silicon Labs 公司的RF隔離即射頻隔離，Si84xx系列為典型射頻隔離技術(shù)的應(yīng)用。

RF隔離采用ISOpro型 RF射頻隔離原理。芯片由半導(dǎo)體RF射頻發(fā)射器、接收器和兩者間的差動(dòng)電容式隔離隔柵組成。工作中，使用基本的ON/OFF按鍵（OOK功能）， 輸入數(shù)據(jù)為高電壓時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生RF射頻調(diào)制信號(hào)；輸入數(shù)據(jù)為低電平時(shí)，發(fā)生器無(wú)RF射頻調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離隔柵送到接收器。接收器檢測(cè)到同頻帶調(diào)制信號(hào)時(shí)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，輸出高電平；無(wú)調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出低電平。

原文標(biāo)題：串行通信隔離方法

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