医疗系统中的USB隔离解决方案

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：1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(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。其中左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。

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所要求的更快数据速率和更短传播延时。同时，这种隔离器的功耗较低，能够满足USB严格的待机功耗需求。

这种隔离技术的最关键优势在于能够在隔离器产品中集成额外的功能。这种集成带来的空间节省效果如图2所示，与USB收发器加光耦的多IC配置相比，USB隔离器占用的电路板面积可以减少75%。

借助于这种在成本和面积方面更具效益且很容易实现的USB隔离技术，医疗设备就可以充分利用USB的优势。例如在医疗系统中，家用病人监护仪上的隔离型USB端口可以实现家中病人与医院医生之间的实时连接，从而提供更好更准确的健康护理。采用隔离型USB后，这种家用病人监护仪可以连接到PC，然后通过互联网将数据实时传送到医院。只要经过IEC 60601医疗等级安全认证，带隔离型USB的系统甚至能在电击除颤过程中保持与病人的连接。