בידוד והספק משולבים מגשרים על הפער בין USB וממשקים תעשייתיים מסורתיים

בתור תקן עבור תקשורת טורית אל התקנים היקפיים, USB נמצאת כיום בכל מקום. אולם, התקנים תעשייתיים עדיין נתמכים במקרים רבים בתקן הישן יותר של RS-232 עבור ניפוי או חיבורי מערכת אדון-עבד. כדי להוסיף חסינות דרך תקשורת הפרשית, RS-422 או RS-485 נמצאים גם כן בשימוש רחב, ו-RS-485 נשאר תקן השכבה הפיזית המשמש על-ידי פרוטוקולים חוטיים רבי-קשרים של רשתות תעשייתיות או Fieldbus. כתוצאה, עשויה להיות אי-התאמה בין הממשקים הזמינים על כלים המשמשים לניפוי או ניטור, כגון מחשבים ניידים בעלי USB בלבד עבור תקשורות טוריות, וציוד תעשייתי, היכול רק להציג ממשקי RS-232, RS-422 או RS-485.

בנוסף לממשקי החומרה הדרושים עבור כל תרגום של USB ל-UART, בידוד גלווני הוא דרישה פונקציונלית ובטיחותית בפוטנציה עבור כל מעגל ממשק בין ציוד בדיקה או ניטור, וציוד תעשייתי הנמצא בשימוש אקטיבי, בסביבה קשה חשמלית. צירופים של טכנולוגיית בידוד כמו ממשק iCoupler ו-isoPower של Analog Devices, המשולבים יחד במגוון מעגלים משולבים, מאפשרים פתרונות קלים כדי לגשר על הפער בין USB וממשקים תעשייתיים מסורתיים.

מדוע להשתמש בבידוד גלווני?
כאשר ממשקים עם ציוד תעשייתי, שיקול בעל חשיבות עיקרית הוא למנוע הפרעה עם הפעולה של מערכות אלו. בידוד גלווני מונע כל מעבר זרם תוך מתן אפשרות למעבר הנתונים, ומגן הן על היחידה הנבדקת והן על יחידת הניפוי. כאשר מחברים מילואת ניפוי (לדוגמה מחשבים ניידים), נתקלים בסיכונים אחדים, כמתואר באיור 1.
אם ציוד הניפוי איננו מוארק, מטענים סטטיים יכולים להתפרק לתוך היחידות הנבדקות
מתחים מסוכנים יכולים להופיע ברשתות Fieldbus בשל רעש המיתוג ממנועים וממסרים
ציוד אבחון מסוים (לדוגמה מחשב נייד) עשוי לא להיות בעל אותן רמות מחמירות של הגנת ממשק כמו ציוד תעשייתי.
בממשק USB ל-UART, ישנן שתי אפשרויות, או שניתן לבודד את ממשק ה-USB או שניתן לבודד את ממשקי ה-UART . בתיאוריה, שניהם יכולים להיות מבודדים במטרה להגן על מודול הממשק עצמו מכל ציוד אחר, או לספק בידוד אבטחה משני ממשקי בידוד בסיסיים בטור.

בידוד תוך שימוש במבודדים דיגיטליים iCoupler
מבודדים דיגיטליים המשתמשים בטכנולוגיית iCoupler מציעים רמות גבוהות של חוסן עבור בידוד גלווני, עם דרישות הספק נמוכות יותר מאשר מצמדים-אופטיים ואמינות משופרת. תפקודי IC אחרים (כגן מקמ”שים) ניתן לשלב בפתרונות חד-שבביים הדורשים רק מעט שטח מעגל בהשוואה לפתרונות לא-מבודדים. זהו יתרון מיוחד לבידוד ממשקי RS-232 או RS-485 בהם כבר דרוש IC כדי לשדר ולקלוט את המתחים המתאימים.
עבור USB, שני האותות, D+ ו-D-, צריכים להיות מבודדים בשקיפות כדי לא להפריע ל-איתור שגיאות USB או לדרוש מזיני תוכנה מיוחדים. שימוש במבודד דיגיטלי בשביל ה-USB כגון ה-ADuM3160 משיג זאת בעקבת-רגל רחבת-גוף SOIC. ההספק זמין בצד אחד של המבודד, דרך כבל ה-USB, כך שהספק דומה יש לספק גם על הצד המבודד, שימוש ב-isoPower, טכנולוגיית שנאי בשבב עבור בידוד הספק, כגון ספק כוח ניתנת לביצוע בעקבת-רגל SOIC רחבת-גוף, תוך שימוש ב-ADuM5000. אם דרושות רמות הספק נוספות, ניתן להשתמש בשנאי ומיישר חיצוני הדורשים מזין שנאי ומווסת משני- שהם משולבים בתוך ה-ADuM3070.
כדי לבודד את ה-RS-232, אות שידור (TX) ואות קליטה (RX) דורשים בידוד, בנוסף לאותות בקרה אחדים (לדוגמה RTS ו-CTS). אולם, בנוסף לממשק TTL אל ה-UART, דרוש מקמ”ש RS-232 כדי להמיר אותות אלה מ/אל רמות המתח של ה-RS-232. ספק כוח מבודד דרוש גם כדי להזין את המקמ”ש ואת צד המקמ”ש של המבודד. כל שלושת הרכיבים (בידוד האות, מקמ”ש והספק מבודד) משולבים ב-ADM3252E כמתואר באיור 2, ויוצרים עקבת-רגל BGA יחידה כדי לספק ממשק RS-232 מבודד במלואו.
RS-485 דורש גם מקמ”ש כדי לממשק עם אפיק בעל שני מוליכים (A ו-B) או עם אפיק בעל ארבעה מוליכים (A, B, Y ו-Z). האותות שיש לבודד הם שידור (TxD), קליטה (RxD), מאפשר הזנה (DE) ומאפשר קליטה (/RE). בדומה לפיתרון ה-RS-232, ה-ADM2587E מספק ממשק RS-485 מבודד במלואו כמתואר באיור 3, כולל הממיר isoPower DC-DC המשולב הדרוש כדי להזין את צד המקמ”ש של ההתקן. ניתן להשתמש במקמ”ש גם עבור התקשורת של ה-RS-422.

אופציות עבור ממשקי USB מבודדים
ל-industrial serial
כדי ליצור ממשק עם פיתחות טוריות בציוד תעשייתי, יש לשלב את המקמ”שים RS-232, RS-422 או RS-485 עם שבב USB ל-UART, לדוגמה ה-FTDI FT2232H. אפשר ליצור בידוד בנפרד בממשקים טוריים מרובים, לדוגמה פיתחה RS-232 המשתמשת ב-ADM3252E ופיתחה RS-485 המשתמשת ב-ADM3252E ופיתחה RS-485 המשתמשת ב-ADM2587E;
לחילופין, ניתן לאתר את הבידוד בקלות בנקודה יחידה תוך שימוש במבודדי USB ADuM3160 או ADuM4160. משמע ניתן להשתמש ב-ICs תקניים בעלי ממשק טורי. אולם, הפיתחות אינן מבודדות בנפרד, ופיתרון של ספק כוח מבודד (כגון ADuM3070) דרוש לשם הזנה של השבב USB ל-UART, המקמ”שים הנמצאים בצד הזרימה כלפי מטה של מבודד ה-USB.
שתי הגישות מוצגות על כרטיס אחד במעגל הייחוס CN-0373, המוצג באיור 4. הוא משלב ADuM3160 כדי לבודד את ממשק , ADuM3070 כדי לספק הספק מבודד לכרטיס הכולל את שבב ה-USB ל-UART, ו-ADM3252E ו-ADM2587E כדי לבודד את ממשקי RS-232 ו-RS-422/485 בהתאמה.

סיכומים
בידוד גלווני הוא רכיב מהותי בממשק אל הציוד בסביבה תעשייתית. מבודדים דיגיטליים המשתמשים בטכנולוגיית iCoupler מאפשרים שילוב מה-ICs הדרושים כבר כדי לגשת לממשקים הטוריים התעשייתיים, כמו גם לאפשר בידוד שקוף של ממשקי ה-USB. דבר זה מאפשר מימוש USB לטורי מושלם מבודד עבור יישומים תעשייתיים. כדי להציג את פתרונות הבידוד האפשריים עבור יישום זה, Analog Devices סיפקה רשימת מעגל, CN-0373: Isolated USB to Isolated RS-485/Isolated RS-232 Interface. דבר זה מבודד במלואו שבב USB ל-UART הן בממשק ה-USB והן בפיתחות של RS-232 ו-RS-485, המאפשר בדיקה והצגה מלאה של החוסן המוצע.