如何將開發工具與故障硬件隔離

在將開發工具、筆記本電腦和其他資源連接到電子硬件進行測試和調試時，其實存在一定風險。盡管為了監控系統運行情況，有必要通過 UART、SPI、I2C 和其他總線直接進行連接，但很多時候開發中的硬件可能會發生故障。隨后，硬件會通過這些接口輸送不需要的電壓和電流，損壞連接的工具和筆記本電腦。

這些工具通常很昂貴。不僅如此，而且據墨菲定律可知，硬件和工具將在最糟糕的時刻發生故障。由此造成的后果將是項目發生延遲，并且不得不花更多加急運費使工作臺恢復正常運行。

本文將討論開發人員如何能夠使用基于平價隔離 IC 的接口保護他們的工具投資；這些 IC 可在 30 分鐘內完成構建。此外還將討論如何選擇隔離器，并提供一些建議和提示，旨在確保當硬件確實發生故障時，開發工具和筆記本電腦不會受到影響。

選擇隔離器時的考慮因素

隔離器可將一個電路分隔為兩個電路，由隔離柵隔開。隔離柵每一側的電路都是獨立加電和接地。隔離柵的作用是充當濾波器，用于阻止高壓和瞬變電壓傳輸，只允許通過耦合機制從一側向另一側傳輸數字信息或數據。耦合機制通常有容性、磁性或光學性三種。

在許多情況下，讀者會發現對于可能需要保護的某個接口，他們有不止一種選擇。例如，I2C 隔離器通常提供容性和磁性兩種。要選擇采用哪一種技術，我們首先需要了解自己的工作環境。

容性耦合利用變化的電場來跨越隔離柵傳輸數據，因此對于有強磁場的應用是很好的選擇。容性耦合還往往會帶來更小的板基底面和更高的工作能效，因此成為很多應用的上佳選擇。然而，值得注意的是，容性耦合有時確實會由于共享信號路徑而產生噪聲問題。

磁性耦合利用變化的磁場來跨越隔離柵傳輸數據，因此對于有強電場的應用是很好的選擇。磁性耦合通常使用小型變壓器，以幫助抑制噪聲，并實現跨越隔離柵的高能效傳輸。

光學耦合利用光脈沖來跨越非導電隔離柵傳輸光，因此對于有噪聲的電磁環境是最佳的選擇。與磁性和容性耦合信號不同，光學耦合可以跨越隔離柵傳輸穩態信號。使用光耦合器的缺點是，它們的速度可能受限，需要的工作功率也更高。

在了解這幾種技術及其特性后，接下來將介紹幾種不同的總線協議，并詳細指導如何在各種接口上隔離開發工具。

選擇 I2C 隔離器

如果開發人員要為微控制器外部的器件開發驅動程序，則使用某種總線監視工具是一種好方法。開發人員可利用這些工具監控總線流量，而價格更貴的優質工具還可用于將信息寫入總線。

簡短經歷描述：曾經有一次，我有一個 I2C/SPI 組合工具連接到客戶的 I2C 總線。他們的硬件出了故障，跨 I2C 總線的電壓下降了 42 伏，不僅毀壞了他們的硬件，也連累了我的開發工具。如果我當時使用 I2C 隔離器來保護自己的工具，就不必花額外的錢購買新工具，也不用支付加急運費。

在選擇 I2C 隔離器時，應考慮幾個特性。首先，電壓隔離應至少達到 2500 伏 RMS。這種隔離級別可防御 90% 或以上的嵌入式開發故障。其次，應檢查隔離器的數據速率。標準 I2C 的工作速率為 100 千位每秒 (kbps) 和 400 kbps。高速 I2C 的工作速率為 1000 kbps。開發工具或應用將決定哪種隔離器和隔離器技術是最佳選擇。

有幾種通用 I2C 隔離器可以有效地保護開發工具。對于通用隔離器，Analog Devices的ADUM3211ARZ-RL7是不錯的選擇（圖 1）。

圖 1：ADUM3211 是一種通用型雙通道磁性耦合隔離器，工作速率可高達 1000 kbps。（圖片來源：Analog Devices）

ADUM3211 使用磁性耦合機制，以高達 1000 kbps 的數據速率跨越隔離柵傳輸數據。因此，該隔離器可以處理高速 I2C，但不包含雙向隔離柵。也就是說，開發工具可以監控總線，但是不能向總線寫入數據，不過這對于大多數應用來說完全可以接受。

要保護需要同時在總線上監控和寫入數據的開發工具，Texas Instruments的ISO1541DRI2C 隔離器是絕佳的選擇（圖 2）。ISO1541 在 SOIC-8 封裝中使用容性耦合機制，以高達 1000 kbps 的速率傳輸雙向數據。該隔離器包含兩個獨立的隔離通道：一個用于數據信號 (SDA)，另一個用于時鐘信號 (SCL)。

圖 2：Texas Instruments 的 ISO1541DR I2C 隔離器包含兩個雙向隔離通道，工作速率可高達 1000 kbps。（圖片來源：Texas Instruments）

從圖 1 和圖 2 可以注意到，這些器件要求工具一側向隔離器的工具一側供電，而目標一側向其目標一側供電。忘記從各自的電源為每一側供電，是導致隔離柵兩端缺乏通信的常見原因，因此在安裝過程中應注意確保兩側都有供電。

選擇 SPI 隔離器

保護 SPI 總線可能比保護 I2C 總線更棘手一點。I2C 總線只包含兩條通信線路，無論總線上連接了多少個器件。而 SPI 總線包含三條數據線，分別用于主輸出、主輸入和時鐘。除了這三條數據線外，每個連接到 SPI 總線的器件還需要一條從設備選擇線路。因此，任何 SPI 隔離器還必須包含幾條用于從設備選擇線路的隔離線路。

有幾種隔離器非常適合用于保護 SPI 開發工具。第一種是 Analog Devices 推出的ADUM3154SPI 隔離器。ADUM3154 使用磁性耦合機制，以高達 17 兆位每秒 (Mbps) 的數據速率跨越隔離柵傳輸數據。該速率不僅覆蓋大多數微控制器 SPI 外設的最大波特率 4 Mbps，也覆蓋存儲器接口控制器的常用數據速率。ADUM3154 還支持多達四個隔離的從設備選擇（圖 3）。

圖 3：ADUM3154 是 Analog Devices 推出的四通道 SPI 隔離器，可處理高達 17 Mbps 的數據速率。（圖片來源：Analog Devices）

如果 17 Mbps 速率不足以滿足需求，還可以選擇 Analog Devices 提供的ADUM3151BRSZ-RL7（圖 4）。

圖 4：ADUM3151 是 Analog Devices 推出的七通道 SPI 隔離器，可處理高達 34 Mbps 的數據速率。（圖片來源：Analog Devices）

ADUM3151 也使用磁性耦合機制，但可處理高達 34 Mbps 的數據速率。它還有四個通道可用于從設備選擇。

選擇串行線調試 (SWD) 隔離器

在嵌入式軟件工程師通常擁有的開發工具中，調試探頭是最昂貴的工具之一。一個好的調試探頭價格可高達幾千美元。雖然編程線路出問題的可能性較低，但不值得冒險。

開發人員可以開發自己的隔離解決方案來保護所有 SWD 線路，但是這樣做比較耗時，成本也較高。有一種簡單的解決方案是使用SEGGER Microcontroller Systems的J-Link SWD 隔離器（圖 5）。

圖 5：SEGGER Microcontroller Systems 推出的 J-Link SWD 隔離器可在調試編程器與目標系統之間提供 1000 伏的隔離。（圖片來源：SEGGER Microcontroller Systems）

J-Link SWD 可在仿真器與目標硬件之間提供 1000 VDC的隔離。

選擇和構建 UART 隔離器

很多開發人員可能認為隔離小型 UART 是在浪費時間和金錢。畢竟，如果一個低成本工具（例如SparkFun Electronics的BOB-12731USB 轉串口分線板）發生故障，可以很容易更換。然而，如果確實發生故障，另一側可能有價值幾千美元的計算機設備應該受到保護。因此，投入這種額外的時間和金錢非常值得。

裝配 UART 保護電路的步驟很簡單，也可以按照類似的步驟來保護其他總線接口。首先需要選擇一個隔離器。前面討論的 ADUM3211 是很好的選擇，因為它具有兩個方向相反的高速隔離通道。這非常適合于 UART 的 Tx/Rx 線路，這些線路通常彼此相鄰。

在選擇隔離器之后，開發人員需要使用分線板，如Aries Electronics的LCQT-SOIC8-8（圖 6）。該分線板已包含針座，因此能夠輕松焊接到 BOB-12731 上。

圖 6：Aries Electronics 的 LCQT-SOIC8-8 用作 SOIC-8 芯片的分線板，而該芯片具有板上跳線，可快速連接目標設備。（圖片來源：Aries Electronics）

將隔離器焊接到分線板上，然后焊接到 UART 適配器上時，務必確保電壓和接地引腳正確對齊。否則，隔離器可能無法加電。此外，還必須確保隔離器通道的方向正確。如果分線板或隔離器無法正確對齊，可能有必要定制一個分線板（圖 7）。

圖 7：組裝完成的 UART 隔離器電路已連接了 USB-UART 轉換器，可提供與目標設備之間的定制隔離通信。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

組裝完成后，USB-UART 轉換器將向隔離器的工具一側供電，而目標設備將向目標一側供電。結果是一個得到隔離的雙向 UART 工具，可受到最高 2500 伏的保護。

關于隔離開發工具的建議和提示

很多技術和隔離接口可用于保護開發工具。下面是關于保護工具投資的幾項建議和提示：

• 查看規格書，確保電壓隔離規格符合您的需要。
• 熟悉不同的隔離機制，確保為應用選擇正確的技術。
• 隔離任何連接回筆記本電腦 USB 端口的總線或接口，因為它是可能造成損壞的接地路徑。
• 對所選的隔離器利用現有的開發套件或者使用分線板，以縮短開發時間，降低開發成本。
• 使用 SWD 隔離器保護專業調試器。

總結

許多嵌入式系統開發人員在將昂貴的開發工具連接到測試中硬件時，不能做到三思而后行。這樣做通常不會有什么問題。不過，有時會發生意外事件，使開發工具暴露在超出規格的電壓和電流下，從而導致損壞。為了避免在最后一刻匆忙地恢復工作臺的正常運行，應事先花上幾個小時，使用市面上的很多隔離解決方案來正確隔離工具，從而提高開發效率，降低開發成本。