USB隔离技术在医疗系统的应用

大量外设的支持。USB的即插即用特性还能降低开发费用和减少对专用软件的需求。在医疗设备中，USB的使用不只限于受过专业训练的操作人员，病人也可以在家里使用USB设备将数据下载到USB存储器，然后带到医院供医生诊断时使用。USB还能用来将传感器或其它测量设备连接到主系统。USB的优势之一是允许多达127个设备在一条总线上工作，因此即使只有一个USB端口也能使用多个外设。相反，RS-232串行通信端口只能处理一个设备。

　　USB隔离

　　总之，USB与RS-232相比具有一些明显的优势，包括：

　　可扩展到127个外设。

　　即插即用操作

　　热插拔能力

　　高数据速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)。

　　兼容工业标准

　　在PC上广泛普及

　　尽管有这些优势，但USB在医疗系统中的普及速度没有像在其它消费类应用中那么快。医疗领域与其它领域的区别在于隔离要求。尽管USB与RS-232相比有许多优点，但事实表明，隔离USB接口并不像隔离其它接口那样简单。

　　USB难以隔离，因为它是差分、双向接口，并且需要配置(通过上拉和下拉)电阻指示总线速度。仅双向这一特性就具有很大的挑战性，因为必须要用某种方法来确定数据传送的方向。在隔离型USB接口中，这个信息必须能穿越过隔离阻障。控制流由数据结构决定，而不是控制信号。

　　USB接口由以下4根线组成：

　　VDD

　　D+

　　D–

　　VSS

　　VDD是5V电源，VSS是参考地，D+和D-是差分信号。使事情变得更复杂的是，D+和D-还能用来发送单端数据，并且能用来判断总线状态。总线外设侧的上拉和下拉电阻用于设置USB接口的速度和空闲状态。根据定义，数据能按以下三种速率中的一种进行传送：

　　1.5 Mbps (低速)。

　　12 Mbps (全速)。

　　480 Mbps (高速)。

　　USB 2.0标准支持全部三种数据速率(USB 1.1只支持低速和全速数据速率)。值得注意的是，一个器件即使不支持480Mbps也可以称为USB 2.0兼容器件。

　　因为标准光耦天生就是单向器件，因此使用光耦或其它单向隔离器的隔离接口必须先把USB信号转换成一组单向信号，如图2所示(图中没有画出EEPROMS，但它常被用来存储用于信号转换的代码)。在这个例子中，来自微控制器的D+/D-线被转换成单端、单向的SPI信号。这些信号经隔离后再使用USB串行接口引擎或USB控制器转换回USB信号。这个控制器增加了多个元件，并增加了走线数量，而不再是简单的双线总线。这种方法不仅代价高，占用相当大的电路板面积，并且需要额外的设计时间，部分原因是微控制器需要软件配置。这种实现方式的复杂性是造成医疗系统架构师对USB的采纳较迟缓的主要原因。

　　图2：隔离USB接口的可选方式。

       其中上图给出了使用微控制器和串行接口引擎将D+/D-信号转换成单向单端SPI的配置方法。右图是更简单的方法，ADuM4160 USB隔离器可被插入D+/D-信号路径中，不需要另外的信号转换元件。

　　单封装USB隔离

　　更简单、在成本和面积方面更具效益的USB隔离方法是使用专门的USB隔离器，这种隔离器可以直接插入到D+/D- USB信号路径。这样的隔离技术现在已经存在，能提供高达5kV rms的增强型隔离，并支持低速和全速数据速率。

　　与光耦不同，光耦使用LED和光敏晶体管并通过光传输将数据送过隔离阻障，而基于更新技术的隔离器使用平面变压器将数据送过20μm厚的聚酰亚胺绝缘层，这个绝缘层能承受6kV rms电压。数据发送是靠从一个线圈到另一个线圈的感应完成的。图3是这种变压器的结构。图4说明了数据流的上升和下降沿分别是如何编码为两个或单个1ns脉冲的。这些脉冲在接收器侧经过解码来还原发送的数据。

　　图3：平面变压器示意图。

        线圈被20μm厚的聚酰亚胺绝缘层所隔离，这种绝缘层的隔离额定值可高达6kV rms、1分钟。

　　 图4：将数据送过隔离物的方法。

       上升和下降沿分别被编码为两个和单个脉冲。接收器通过解码这些脉冲在隔离物另一侧再生数据流。刷新电路不断地每隔1ms重传一次数据，以确保直流电压正确性。

　　隔离型USB的好处

　　与光耦相比，使用单个封装的专用USB隔离器有很多好处。使用变压器允许数据透过隔离物进行双向传送。虽然这种技术使用专用变压器进行发送和接收信号，但所有线圈都是相同的，并包含在一个封装内。这种方法用光耦是无法实现的。采用光耦的类似设置需要使用独立的器件处理每个方向的通信。

变压器的速度本来就比光耦中使用的LED-光敏晶体管组合要快，因此允许隔离器支持USB所要