接地环路中断总线通信 - 如何利用电流隔离来消除接地环路

       图3: 利用USB电缆连接两个交流电源供电的器件造成接地环路中断总线通信

　　由于没有控制信号来指示数据是传输到下游(外设)还是上游(主机)，因此隔离USB端口以消除电缆接地连接是一件很困难的事情。在无法访问控制总线的串行接口引擎(SIE)内部信号的情况下，确定数据方向的唯一办法是通过总线处理。SIE的信号之所以不可用，是因为SIE常常被集成到处理器中。

　　有多种方法可以隔离USB。例如，可以利用一个外部SIE来避免隔离D+和D-的难题，该SIE由一个采用单向信号的串行接口(如SPI等)控制。SPI为单向接口，因而更容易隔离。

　　图4说明了这种方法。光耦合器的传播延迟会严重限制隔离SPI的速度，因此使用一个四通道数字隔离器。外部USB控制器从其缓冲器发送数据，缓冲器通过SPI接口加载。虽然外部SIE以外设最快的数据速率传输数据，但总线的有效数据速率受制于控制器使SIE缓冲器保持填满的能力。这种情况下，数字隔离器的传播延迟可能是一个瓶颈。由于使用外部SIE，这种方法会占用较大的板空间，而且可能需要修改外设驱动。

　　

 

　　图4: 利用外部SIE隔离D+和D-线路

　　更简单的方法是利用单芯片USB隔离器ADuM3160直接隔离D+和D-线路，如图5所示。使用这款数字隔离器时，主机和外设的驱动均无需修改，其内部逻辑通过USB协议确定D+和D-的方向，并且相应地停用驱动。2.5kV隔离栅断开通过USB电缆的接地连接，如若不然，就会形成一个接地环路。

　　

 

　　图5: 利用单芯片USB隔离器ADuM3160直接隔离D+和D-线路

　　我们设计了一个接地环路的简单硬件仿真模型，以此说明有线通信中接地环路的危害，以及通过电流隔离来中断接地环路的有效性。测试设置产生的接地环路连接到USB电缆以及USB集线器和外设的电源，通过一台笔记本电脑进行控制。此设置将交流电源线的60 Hz信号通过一个互感器耦合到接地线路，这与电源线的磁场在接地环路中产生噪声的原理相似，因为它依赖的是同一噪声源。可变串联电阻使得流经接地环路的电流是可调的。测量从集线器地到外设地的电压，并且提高流经接地环路的电流，直到它中断与集线器的通信。测试中使用了两个不同的外设，当外设地由于仿真接地环路电流提高而比集线器地高出1Vrms以上时，两个外设一致地失去与集线器和笔记本电脑的通信。利用ADuM3160 USB隔离器隔离集线器端口中断了通过USB电缆的接地连接，防止互感器耦合的电流流动，从而有效地恢复了PC与任一外设的通信，这说明可以利用数字隔离来防止形成接地环路。

　　总之，在有线通信中，接地环路可能会带来问题。器件之间的多个接地连接会形成一个环路，接地环路可能拾取邻近交流磁场的干扰噪声。此外，如果存在地电位差(长距离通信可能会有这种现象)，则它也会贡献接地环路噪声电流。以上任一种现象都可能造成数据错误。USB接口是可能遭受接地环路干扰影响的接口之一，而且不容易通过分立数字隔离器进行隔离。接地环路的硬件仿真提供了一个实际的例子，说明了接地环路如何影响USB接口，以及USB隔离器ADuM3160如何解决这种问题。接地环路对USB之外的其他接口也可能造成问题。