如何將開發(fā)工具與故障硬件隔離

在將開發(fā)工具、筆記本電腦和其他資源連接到電子硬件進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試時(shí)，其實(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。盡管為了監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，有必要通過 UART、SPI、I2C 和其他總線直接進(jìn)行連接，但很多時(shí)候開發(fā)中的硬件可能會(huì)發(fā)生故障。隨后，硬件會(huì)通過這些接口輸送不需要的電壓和電流，損壞連接的工具和筆記本電腦。

這些工具通常很昂貴。不僅如此，而且據(jù)墨菲定律可知，硬件和工具將在最糟糕的時(shí)刻發(fā)生故障。由此造成的后果將是項(xiàng)目發(fā)生延遲，并且不得不花更多加急運(yùn)費(fèi)使工作臺(tái)恢復(fù)正常運(yùn)行。

本文將討論開發(fā)人員如何能夠使用基于平價(jià)隔離 IC 的接口保護(hù)他們的工具投資；這些 IC 可在 30 分鐘內(nèi)完成構(gòu)建。此外還將討論如何選擇隔離器，并提供一些建議和提示，旨在確保當(dāng)硬件確實(shí)發(fā)生故障時(shí)，開發(fā)工具和筆記本電腦不會(huì)受到影響。

選擇隔離器時(shí)的考慮因素

隔離器可將一個(gè)電路分隔為兩個(gè)電路，由隔離柵隔開。隔離柵每一側(cè)的電路都是獨(dú)立加電和接地。隔離柵的作用是充當(dāng)濾波器，用于阻止高壓和瞬變電壓傳輸，只允許通過耦合機(jī)制從一側(cè)向另一側(cè)傳輸數(shù)字信息或數(shù)據(jù)。耦合機(jī)制通常有容性、磁性或光學(xué)性三種。

在許多情況下，讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于可能需要保護(hù)的某個(gè)接口，他們有不止一種選擇。例如，I2C 隔離器通常提供容性和磁性兩種。要選擇采用哪一種技術(shù)，我們首先需要了解自己的工作環(huán)境。

容性耦合利用變化的電場(chǎng)來跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)，因此對(duì)于有強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用是很好的選擇。容性耦合還往往會(huì)帶來更小的板基底面和更高的工作能效，因此成為很多應(yīng)用的上佳選擇。然而，值得注意的是，容性耦合有時(shí)確實(shí)會(huì)由于共享信號(hào)路徑而產(chǎn)生噪聲問題。

磁性耦合利用變化的磁場(chǎng)來跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)，因此對(duì)于有強(qiáng)電場(chǎng)的應(yīng)用是很好的選擇。磁性耦合通常使用小型變壓器，以幫助抑制噪聲，并實(shí)現(xiàn)跨越隔離柵的高能效傳輸。

光學(xué)耦合利用光脈沖來跨越非導(dǎo)電隔離柵傳輸光，因此對(duì)于有噪聲的電磁環(huán)境是最佳的選擇。與磁性和容性耦合信號(hào)不同，光學(xué)耦合可以跨越隔離柵傳輸穩(wěn)態(tài)信號(hào)。使用光耦合器的缺點(diǎn)是，它們的速度可能受限，需要的工作功率也更高。

在了解這幾種技術(shù)及其特性后，接下來將介紹幾種不同的總線協(xié)議，并詳細(xì)指導(dǎo)如何在各種接口上隔離開發(fā)工具。

選擇 I2C 隔離器

如果開發(fā)人員要為微控制器外部的器件開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，則使用某種總線監(jiān)視工具是一種好方法。開發(fā)人員可利用這些工具監(jiān)控總線流量，而價(jià)格更貴的優(yōu)質(zhì)工具還可用于將信息寫入總線。

簡(jiǎn)短經(jīng)歷描述：曾經(jīng)有一次，我有一個(gè) I2C/SPI 組合工具連接到客戶的 I2C 總線。他們的硬件出了故障，跨 I2C 總線的電壓下降了 42 伏，不僅毀壞了他們的硬件，也連累了我的開發(fā)工具。如果我當(dāng)時(shí)使用 I2C 隔離器來保護(hù)自己的工具，就不必花額外的錢購買新工具，也不用支付加急運(yùn)費(fèi)。

在選擇 I2C 隔離器時(shí)，應(yīng)考慮幾個(gè)特性。首先，電壓隔離應(yīng)至少達(dá)到 2500 伏 RMS。這種隔離級(jí)別可防御 90% 或以上的嵌入式開發(fā)故障。其次，應(yīng)檢查隔離器的數(shù)據(jù)速率。標(biāo)準(zhǔn) I2C 的工作速率為 100 千位每秒 (kbps) 和 400 kbps。高速 I2C 的工作速率為 1000 kbps。開發(fā)工具或應(yīng)用將決定哪種隔離器和隔離器技術(shù)是最佳選擇。

有幾種通用 I2C 隔離器可以有效地保護(hù)開發(fā)工具。對(duì)于通用隔離器，Analog Devices的ADUM3211ARZ-RL7是不錯(cuò)的選擇（圖 1）。

圖 1：ADUM3211 是一種通用型雙通道磁性耦合隔離器，工作速率可高達(dá) 1000 kbps。（圖片來源：Analog Devices）

ADUM3211 使用磁性耦合機(jī)制，以高達(dá) 1000 kbps 的數(shù)據(jù)速率跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)。因此，該隔離器可以處理高速 I2C，但不包含雙向隔離柵。也就是說，開發(fā)工具可以監(jiān)控總線，但是不能向總線寫入數(shù)據(jù)，不過這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說完全可以接受。

要保護(hù)需要同時(shí)在總線上監(jiān)控和寫入數(shù)據(jù)的開發(fā)工具，Texas Instruments的ISO1541DRI2C 隔離器是絕佳的選擇（圖 2）。ISO1541 在 SOIC-8 封裝中使用容性耦合機(jī)制，以高達(dá) 1000 kbps 的速率傳輸雙向數(shù)據(jù)。該隔離器包含兩個(gè)獨(dú)立的隔離通道：一個(gè)用于數(shù)據(jù)信號(hào) (SDA)，另一個(gè)用于時(shí)鐘信號(hào) (SCL)。

圖 2：Texas Instruments 的 ISO1541DR I2C 隔離器包含兩個(gè)雙向隔離通道，工作速率可高達(dá) 1000 kbps。（圖片來源：Texas Instruments）

從圖 1 和圖 2 可以注意到，這些器件要求工具一側(cè)向隔離器的工具一側(cè)供電，而目標(biāo)一側(cè)向其目標(biāo)一側(cè)供電。忘記從各自的電源為每一側(cè)供電，是導(dǎo)致隔離柵兩端缺乏通信的常見原因，因此在安裝過程中應(yīng)注意確保兩側(cè)都有供電。

選擇 SPI 隔離器

保護(hù) SPI 總線可能比保護(hù) I2C 總線更棘手一點(diǎn)。I2C 總線只包含兩條通信線路，無論總線上連接了多少個(gè)器件。而 SPI 總線包含三條數(shù)據(jù)線，分別用于主輸出、主輸入和時(shí)鐘。除了這三條數(shù)據(jù)線外，每個(gè)連接到 SPI 總線的器件還需要一條從設(shè)備選擇線路。因此，任何 SPI 隔離器還必須包含幾條用于從設(shè)備選擇線路的隔離線路。

有幾種隔離器非常適合用于保護(hù) SPI 開發(fā)工具。第一種是 Analog Devices 推出的ADUM3154SPI 隔離器。ADUM3154 使用磁性耦合機(jī)制，以高達(dá) 17 兆位每秒 (Mbps) 的數(shù)據(jù)速率跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)。該速率不僅覆蓋大多數(shù)微控制器 SPI 外設(shè)的最大波特率 4 Mbps，也覆蓋存儲(chǔ)器接口控制器的常用數(shù)據(jù)速率。ADUM3154 還支持多達(dá)四個(gè)隔離的從設(shè)備選擇（圖 3）。

圖 3：ADUM3154 是 Analog Devices 推出的四通道 SPI 隔離器，可處理高達(dá) 17 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。（圖片來源：Analog Devices）

如果 17 Mbps 速率不足以滿足需求，還可以選擇 Analog Devices 提供的ADUM3151BRSZ-RL7（圖 4）。

圖 4：ADUM3151 是 Analog Devices 推出的七通道 SPI 隔離器，可處理高達(dá) 34 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。（圖片來源：Analog Devices）

ADUM3151 也使用磁性耦合機(jī)制，但可處理高達(dá) 34 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。它還有四個(gè)通道可用于從設(shè)備選擇。

選擇串行線調(diào)試 (SWD) 隔離器

在嵌入式軟件工程師通常擁有的開發(fā)工具中，調(diào)試探頭是最昂貴的工具之一。一個(gè)好的調(diào)試探頭價(jià)格可高達(dá)幾千美元。雖然編程線路出問題的可能性較低，但不值得冒險(xiǎn)。

開發(fā)人員可以開發(fā)自己的隔離解決方案來保護(hù)所有 SWD 線路，但是這樣做比較耗時(shí)，成本也較高。有一種簡(jiǎn)單的解決方案是使用SEGGER Microcontroller Systems的J-Link SWD 隔離器（圖 5）。

圖 5：SEGGER Microcontroller Systems 推出的 J-Link SWD 隔離器可在調(diào)試編程器與目標(biāo)系統(tǒng)之間提供 1000 伏的隔離。（圖片來源：SEGGER Microcontroller Systems）

J-Link SWD 可在仿真器與目標(biāo)硬件之間提供 1000 VDC的隔離。

選擇和構(gòu)建 UART 隔離器

很多開發(fā)人員可能認(rèn)為隔離小型 UART 是在浪費(fèi)時(shí)間和金錢。畢竟，如果一個(gè)低成本工具（例如SparkFun Electronics的BOB-12731USB 轉(zhuǎn)串口分線板）發(fā)生故障，可以很容易更換。然而，如果確實(shí)發(fā)生故障，另一側(cè)可能有價(jià)值幾千美元的計(jì)算機(jī)設(shè)備應(yīng)該受到保護(hù)。因此，投入這種額外的時(shí)間和金錢非常值得。

裝配 UART 保護(hù)電路的步驟很簡(jiǎn)單，也可以按照類似的步驟來保護(hù)其他總線接口。首先需要選擇一個(gè)隔離器。前面討論的 ADUM3211 是很好的選擇，因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)方向相反的高速隔離通道。這非常適合于 UART 的 Tx/Rx 線路，這些線路通常彼此相鄰。

在選擇隔離器之后，開發(fā)人員需要使用分線板，如Aries Electronics的LCQT-SOIC8-8（圖 6）。該分線板已包含針座，因此能夠輕松焊接到 BOB-12731 上。

圖 6：Aries Electronics 的 LCQT-SOIC8-8 用作 SOIC-8 芯片的分線板，而該芯片具有板上跳線，可快速連接目標(biāo)設(shè)備。（圖片來源：Aries Electronics）

將隔離器焊接到分線板上，然后焊接到 UART 適配器上時(shí)，務(wù)必確保電壓和接地引腳正確對(duì)齊。否則，隔離器可能無法加電。此外，還必須確保隔離器通道的方向正確。如果分線板或隔離器無法正確對(duì)齊，可能有必要定制一個(gè)分線板（圖 7）。

圖 7：組裝完成的 UART 隔離器電路已連接了 USB-UART 轉(zhuǎn)換器，可提供與目標(biāo)設(shè)備之間的定制隔離通信。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

組裝完成后，USB-UART 轉(zhuǎn)換器將向隔離器的工具一側(cè)供電，而目標(biāo)設(shè)備將向目標(biāo)一側(cè)供電。結(jié)果是一個(gè)得到隔離的雙向 UART 工具，可受到最高 2500 伏的保護(hù)。

關(guān)于隔離開發(fā)工具的建議和提示

很多技術(shù)和隔離接口可用于保護(hù)開發(fā)工具。下面是關(guān)于保護(hù)工具投資的幾項(xiàng)建議和提示：

• 查看規(guī)格書，確保電壓隔離規(guī)格符合您的需要。
• 熟悉不同的隔離機(jī)制，確保為應(yīng)用選擇正確的技術(shù)。
• 隔離任何連接回筆記本電腦 USB 端口的總線或接口，因?yàn)樗强赡茉斐蓳p壞的接地路徑。
• 對(duì)所選的隔離器利用現(xiàn)有的開發(fā)套件或者使用分線板，以縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本。
• 使用 SWD 隔離器保護(hù)專業(yè)調(diào)試器。

總結(jié)

許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在將昂貴的開發(fā)工具連接到測(cè)試中硬件時(shí)，不能做到三思而后行。這樣做通常不會(huì)有什么問題。不過，有時(shí)會(huì)發(fā)生意外事件，使開發(fā)工具暴露在超出規(guī)格的電壓和電流下，從而導(dǎo)致?lián)p壞。為了避免在最后一刻匆忙地恢復(fù)工作臺(tái)的正常運(yùn)行，應(yīng)事先花上幾個(gè)小時(shí)，使用市面上的很多隔離解決方案來正確隔離工具，從而提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。