工业和仪器仪表应用的RS-232数据接口设计

简介

工业和仪器仪表(I&I)应用的一个关键要求是具有可靠的数据接口，用于通过诊断端口检查相连系统。RS-232总线标准是I&I应用中使用最早也最广泛的物理层总线设计标准之一。RS-232最初于1962年推出，是一种单端数据传输标准；尽管有谣传称其很快消亡，但其实它现在仍然是短线通信行业广泛采用的一种通信标准。

要在恶劣的工业环境下实现鲁棒的数据通信链路，RS-232诊断端口必须在RS-232电缆网络与相连系统之间提供一个隔离接口，以预防高噪声环境中的电压尖峰和接地环路并提高系统稳定性（图1）。RS-232通信链路的电源隔离利用隔离式DC/DC电源或ADI公司的isoPower集成式DC/DC转换器技术实现。RS-232通信链路的信号隔离利用光耦合器或ADI公司的iCoupler技术实现。

图1. 典型的隔离式RS-232通信链路

如图2所示，隔离栅在RS-232总线和与该总线相连的每个系统之间提供电隔离，既允许在两点之间传输数字数据，又可防止接地环路电流流过；这样可以消除耦合到通信电缆上的噪声，从而降低信号失真和误差。

图2. 隔离功能

实现隔离式RS-232接口

要提供隔离式RS-232通信接口，两端的器件必须与所连的RS-232电缆相互隔离。要隔离数据链路，则必须对数据信号线路和用于驱动该电缆的电源进行隔离。来自诊断端口上UART的数据需要跨越隔离栅并传输至隔离总线侧上的RS-232收发器。本地5 V/3.3 V电源也需要跨越隔离栅来为隔离总线侧上的RS-232收发器供电。工业PC端也同样需要如此：数据和电源均需要跨越隔离栅（图3）。

图3. 隔离式RS-232接口

通过将器件与RS-232电缆网络隔离开来，诊断端口和工业PC电路均受到保护，不受恶劣环境下可能耦合到RS-232电缆上的瞬变影响。隔离还可以中断因诊断端口和工业PC端存在不同接地电位而可能出现的接地环路。RS-232总线上可能出现的高共模电压不能跨越隔离栅，从而保护隔离数据的用户。

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隔离技术：数据和电源

图4比较了两种主要隔离技术。iCoupler技术（图4(a)）利用厚膜工艺技术构建可实现2.5 kV隔离的微型片上变压器，从而在RS-232系统中提供信号隔离。较古老但广泛采用的光耦合器解决方案（图4(b)）则采用发光二极管(LED)和光电二极管。LED用于将电信号转换为光，光电检测器则用于将光转换回为电信号。电光转换本身的低转换效率导致功耗相对较高；光电检测器的慢速响应则限制其速度；而老化问题会限制其使用寿命。

图4. 隔离技术比较

通过使用晶圆级工艺直接在片上制造变压器，iCoupler通道能以较低成本相互集成以及与其它半导体功能集成在一起。ADM3252E即是这样的一个例子，它是一个紧凑器件中的隔离式双通道RS-232收发器。iCoupler隔离技术至少在以下五个方面克服了旧式光耦合器解决方案所造成的限制：集成（由于iCoupler支持双向操作，因此可缩小总体尺寸并降低系统成本）、性能更高、功耗更低、易于使用且可靠性更高。

直到最近，跨越隔离栅传输电源需要使用单独的DC/DC转换器或定制分立方法，前者体积相对较大、价格昂贵且隔离不充分，后者则体积庞大且难以设计。即使是在隔离式RS-232数据通信等只需少量隔离电源的应用中，这些方法也一直是唯一可行的替代方案。

为了解决这一问题，ADI公司研发并制造了一款完整的全集成式解决方案，利用微变压器跨越隔离栅实现信号和电源传输。这是对我们完善iCoupler技术的延伸，是一种突破性的替代方案，称为isoPower。在单个器件中便可实现高达2.5 kV的信号和电源隔离，因而无需体积庞大、价格昂贵且难以设计的隔离电源。它可以显著缩减典型隔离式RS-232接口的电路板面积、设计时间和隔离系统总成本。下文介绍两种适用该技术的典型RS-232设计情况。

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隔离、高速双通道RS-232接口

图5将使用分立元件的传统解决方案与完全集成式解决方案进行了比较。

实施完全隔离式双通道RS-232接口（图5(a)）的传统方式是采用光耦合器来提供RS-232链路的数据隔离。每条数据线路（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一个光耦合器以及一个外部缓冲器。隔离电源采用变压器驱动器IC来驱动分立变压器，并与简单的整流电路和LDO（低压差稳压器）一起来净化隔离式5 V或3.3 V ISO VCC供电轨。实施时，该设计需要八个IC和若干无源元件，并需占用极大的电路板面积。

在图5(b)所示的单芯片解决方案中，可利用一个IC (ADM3252E)、两个去耦电容和四个电荷泵电容来为所有四路信号实现一个完全隔离式(2.5kV)双通道RS-232接口。

图5. 隔离式RS-232设计比较

ADM3252E（图6）将一个标准RS-232收发器与一个4通道iCoupler结合，用于提供RS-232数据信号的信号隔离。它还集成isoPower技术，以提供片内电源隔离。通过将iCoupler和isoPower隔离技术相结合而集成RS-232收发器，ADM3252E能够在单个封装(12 mm × 12 mm)内提供具有2.5 kV rms隔离性能的完全隔离式RS-232接口，并且只需六个外部电容。

图6. ADM3252E隔离、双通道RS-232收发器

该单芯片解决方案能够显著缩减隔离式RS-232接口所需的设计时间和电路板面积。由于PCB上的元件数量明显减少，因此能够降低制造成本并提高可靠性。此外，ADM3252E无需进行任何修改，便可用于5 V或3.3 V应用，避免了分立设计所必须进行的设计更改。

isoPower技术能够直接在44引脚BGA封装的芯片上提供2.5 kV电源隔离，因而无需传统解决方案中所用的昂贵分立变压器。此外，iCoupler技术能够提供信号（数据）隔离，因而无需四个分立式光耦合器通道。

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ESD保护

因为RS-232电缆要由用户亲手连接和断开，因此RS-232发射(Tx)和接收(Rx)引脚（TxD1、TxD2、RxD1、RxD2）的ESD（静电放电）保护非常重要，以确保接口稳定可靠。ADM3252E在RINx和TOUTx上的ESD保护能力符合IEC 1000-4-2 (801.2)标准，具体如下所示：

●接触放电：±8 kV

●气隙放电：±15 kV

瞬变保护

为使RS-232收发器能够在工业应用中极其恶劣的工作条件下工作，隔离技术（iCoupler和isoPower）提供高共模瞬变抗扰度(>25 kV/μs)，该抗扰度是指在维持额定工作时能保持的最大共模电压（逻辑和总线端的电位差）压摆率。瞬变幅度是共模电压压摆的范围。共模电压压摆率适用于共模电压的上升沿和下降沿。该规格确保恶劣环境下耦合到RS-232电缆上的任何瞬变无法损坏RS-232收发器或导致传输错误数据，从而使数据链路具有极高稳定性。

2.5 kV隔离保护和认证

隔离收发器能够在器件的逻辑和总线端之间提供2.5 kV的隔离。该隔离额定值确保逻辑端没有电流能够进出RS-232电缆。它还确保不会有电压或瞬态耦合到RS-232电缆进而到达逻辑端。2.5 kV隔离保护还意味着，可保护逻辑端的用户不受RS-232电缆上可能出现的高电压或瞬变影响。ADM3252E的2.5 kV隔离额定值正在接受下列机构的认证：美国保险商实验所(UL)、德国电气工程师协会(VDE)和加拿大标准协会(CSA)。UL 1577认证要求所有ADM3252E器件的隔离栅（与光耦合器一样）都要100%经过生产测试：

●UL认证

    ○1分钟2,500 V rms，符合UL 1577

●VDE合格证书

    ○IEC 60747-5-2 (VDE 0884, Part 2)

    ○V_IORM=560 V峰值

●CSA元件验收通知#5A

ADM3252E规格

ADM3252E是一款双通道、高速、全隔离式（数据和电源）RS-232收发器，非常适合在电气条件恶劣的环境下工作，或频繁插拔RS-232电缆的场合。它集成了四个独立的iCoupler数字隔离通道（两个发射，两个接收）和一个isoPower芯片级DC/DC转换器，提供2.5 kVrms隔离，25 kV/μs瞬变抗扰度和±15 kV ESD保护。它符合TIA/EIA-232E规范，最高通信数据速率为460 kbps。片内倍压器和反相器支持单电源工作。ADM3252E采用3.0 V至5.5 V单电源供电，无负载时功耗为20 mA。它采用12 mm × 12 mm的44引脚CSP BGA封装，额定温度范围为–40°C至+85℃，千片订量报价为8.49美元/片。

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PCB布局

隔离收发器的PCB布局对于确保在实际设计中实现2.5 kV的额定隔离性能至关重要。主要考虑因素是逻辑端GND和总线端GND之间的爬电距离（沿壳体最短距离)和电气间隙（最短空气距离）。ADM3252E的逻辑接口不需要外部电路。输入和输出供电引脚需要电源旁路（图7）。

图7. ADM3252E推荐的印刷电路板布局

隔离、高速单通道RS-232接口

对于只需单通道（1 Tx、1 Rx）5 V隔离式RS-232接口的收发器应用，ADM3251E提供一个20引脚宽体SOIC封装的单芯片解决方案。ADM3251E收发器整合iCoupler和isoPower隔离技术，也是第一款能提供数据线路与电源二者完全隔离的表面贴装RS-232收发器。它具有2.5 kV隔离额定值，符合工业标准隔离要求（UL1577和DIN VDE 0884-10）。这可确保达到高噪声工作环境中所要求的鲁棒性，如工业自动化和控制应用中的隔离式RS-232诊断数据端口。与传统IC相比，表贴(SMT)封装可使电路板空间减少45%，有助于加速制造工艺并降低系统开发成本（图8）。

图8. 单通道RS232收发器应用(a) ADM3251E规格(b)传统方法 (c) iCoupler + isoPower方法

结论

如今，工业和仪器仪表应用中的RS-232接口链路需要尺寸小、性能可靠、成本低且隔离良好。通过将芯片级变压器隔离与标准RS-232接口收发器相集成，可以通过单芯片、全隔离式RS-232收发器（含隔离电源）来提供上述优势。双通道ADM3252E和单通道ADM3251E能够显著缩短设计时间，并为这些要求苛刻的应用提供一种紧凑、可靠、低成本的高性能解决方案。