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单线串行总线携带隔离的电源和数据技术处置方案

来源:analog 发布时间:2023-07-28

摘要: 接口电路使用1-Wire串行总线在主(MCU)和传感元件之间提供隔离电源和双向通信。

医疗和工业应用通常需要2500VAC或更高的电流隔离,以确保患者和设备操作员的安全。隔离屏障不仅向传感元件传输功率,而且还向该元件传输数据。通过屏障的每个数据信号都需要隔离,因此在这些应用中,通常通过选择串行总线而不是并行总线来节省成本。串行总线包括SPI、I(2)C和Dallas 1-Wire总线。

达拉斯半导体1线只需要一条数据线(加上地线)进行双向通信。由于光隔离器是单向器件,典型的1-Wire应用需要两个光隔离器,一个用于数据流的每个方向。(SPI和I(2)C应用程序需要至少三个选项。)1-Wire总线还可以以其“寄生功率模式”传输功率。隔离转换器为传感元件提供电源。因此,大多数1线设计需要两个用于数据接口的光,一个用于反馈到隔离电源的光,以及一个用于隔离电源的变压器。

图1的电路使用隔离变压器驱动器(U1)和单个光耦合器实现,最大限度地减少隔离所需的元件数量,同时保持双线尾纤设计(数据加地线到1线传感元件)。U1提供隔离和伪调节的电源,同时使主机能够通过隔离接口将数据传输到1-Wire设备。在接收数据路径中定位单个光纤允许主设备接收来自1-Wire设备的隔离数据。


图1所示、使用达拉斯半导体1-Wire串行总线,该接口电路在主(MCU)和传感元件之间提供隔离电源和双向通信

请注意下列杂项意见:

  • U1和变压器T1在V(ISOL)节点(原理图右上角)产生约4.0V。

  • D1和D2实现变压器二次半桥整流。

  • U1上的FS和V(CC)之间的连接导致该设备以标称860kHz切换。

  • 电容C2滤波输出并维持正循环之间的输出电平。

  • R1包含在放电电容器C2中。

  • DQ节点上的电压等级满足DS18B20数据表中的直流要求。但是,该电路的功能没有使用DS18B20或任何其他1-Wire设备进行测试。


主微控制器(MCU)通过调制U1的SD引脚开关将数据传输到1-Wire设备。当不传输数据时,U1通常打开并向1-Wire设备供电,因此表示1-Wire设备的逻辑高电平。此时V(ISOL)节点约为4.0V。

为了启动通信,MCU通过强制SD高,关闭U1来断言复位脉冲。当U1关断时,V(ISOL)电压降至1线器件的逻辑低电平。您应该选择R1, R2, R3和C2,以允许V(ISOL)在小于约5µs的时间内低于逻辑低阈值(0.8V)。(注意,使用R1 = R2 = 1.00k、R3 = 2.00k和C2 = 4.7nF为测试提供了一个起点,但最终值取决于所选择的选项。)当U1处于活动状态时,这四个值必须不允许V(ISOL)低于1线器件的2.4V逻辑高阈值。

为了使MCU接收来自1线器件的数据,光电(U3)由V电平(ISOL)或1线器件(DQ)的数据引脚调制。当U1为ON时,U3中的LED为ON,从而迫使Rx低。当1线器件将DQ拉低时,LED关闭,Rx变高。当U1关闭时,Rx也会变高,从而导致V(ISOL)下降并关闭LED。(MCU的Tx和Rx逻辑与1线设备的逻辑相反。)

因此,单个光器件、变压器和达拉斯半导体1线串行链路形成MCU和精密1线温度计之间的隔离传感器接口。通过将布线和组件成本降至最低,该电路支持大批量医疗和工业应用。



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