作者：Jacob Beningo
#关键词：开发工具, 故障, 隔离器, 隔离工具, 保护工具
在将开发工具、笔记本电脑和其他资源连接到电子硬件进行测试和调试时，其实存在一定风险。尽管为了监控系统运行情况，有必要通过UART、SPI、I2C和其他总线直接进行连接，但很多时候开发中的硬件可能会发生故障。随后，硬件会通过这些接口输送不需要的电压和电流，损坏连接的工具和笔记本电脑。
这些工具通常很昂贵。不仅如此，而且据墨菲定律可知，硬件和工具将在最糟糕的时刻发生故障。由此造成的后果将是项目发生延迟，并且不得不花更多加急运费使工作台恢复正常运行。
本文将讨论开发人员如何能够使用基于平价隔离IC的接口保护他们的工具投资；这些IC可在30分钟内完成构建。此外还将讨论如何选择隔离器，并提供一些建议和提示，旨在确保当硬件确实发生故障时，开发工具和笔记本电脑不会受到影响。
选择隔离器时的考虑因素
隔离器可将一个电路分隔为两个电路，由隔离栅隔开。隔离栅每一侧的电路都是独立加电和接地。隔离栅的作用是充当滤波器，用于阻止高压和瞬变电压传输，只允许通过耦合机制从一侧向另一侧传输数字信息或数据。耦合机制通常有容性、磁性或光学性三种。
在许多情况下，读者会发现对于可能需要保护的某个接口，他们有不止一种选择。例如，I2C隔离器通常提供容性和磁性两种。要选择采用哪一种技术，我们首先需要了解自己的工作环境。
容性耦合利用变化的电场来跨越隔离栅传输数据，因此对于有强磁场的应用是很好的选择。容性耦合还往往会带来更小的板基底面和更高的工作能效，因此成为很多应用的上佳选择。然而，值得注意的是，容性耦合有时确实会由于共享信号路径而产生噪声问题。
磁性耦合利用变化的磁场来跨越隔离栅传输数据，因此对于有强电场的应用是很好的选择。磁性耦合通常使用小型变压器，以帮助抑制噪声，并实现跨越隔离栅的高能效传输。
光学耦合利用光脉冲来跨越非导电隔离栅传输光，因此对于有噪声的电磁环境是最佳的选择。与磁性和容性耦合信号不同，光学耦合可以跨越隔离栅传输稳态信号。使用光耦合器的缺点是，它们的速度可能受限，需要的工作功率也更高。
在了解这几种技术及其特性后，接下来将介绍几种不同的总线协议，并详细指导如何在各种接口上隔离开发工具。
选择I2C隔离器
如果开发人员要为微控制器外部的器件开发驱动程序，则使用某种总线监视工具是一种好方法。开发人员可利用这些工具监控总线流量，而价格更贵的优质工具还可用于将信息写入总线。
简短经历描述：曾经有一次，我有一个I2C/SPI组合工具连接到客户的I2C总线。他们的硬件出了故障，跨I2C总线的电压下降了42伏，不仅毁坏了他们的硬件，也连累了我的开发工具。如果我当时使用I2C隔离器来保护自己的工具，就不必花额外的钱购买新工具，也不用支付加急运费。
在选择I2C隔离器时，应考虑几个特性。首先，电压隔离应至少达到2500伏RMS。这种隔离级别可防御90%或以上的嵌入式开发故障。其次，应检查隔离器的数据速率。标准I2C的工作速率为100千位每秒 (kbps) 和400kbps。高速I2C的工作速率为1000kbps。开发工具或应用将决定哪种隔离器和隔离器技术是最佳选择。
有几种通用I2C隔离器可以有效地保护开发工具。对于通用隔离器，Analog Devices的ADUM3211ARZ-RL7是不错的选择（图1）。
图1：ADUM3211是一种通用型双通道磁性耦合隔离器，工作速率可高达1000kbps。（图片来源：Analog Devices）
ADUM3211使用磁性耦合机制，以高达1000kbps的数据速率跨越隔离栅传输数据。因此，该隔离器可以处理高速I2C，但不包含双向隔离栅。也就是说，开发工具可以监控总线，但是不能向总线写入数据，不过这对于大多数应用来说完全可以接受。
要保护需要同时在总线上监控和写入数据的开发工具，Texas Instruments的ISO1541DR I2C隔离器是绝佳的选择（图2）。ISO1541在SOIC-8封装中使用容性耦合机制，以高达1000kbps的速率传输双向数据。该隔离器包含两个独立的隔离通道：一个用于数据信号 (SDA)，另一个用于时钟信号 (SCL)。
图2：Texas Instruments的ISO1541DR I2C隔离器包含两个双向隔离通道，工作速率可高达1000kbps。（图片来源：Texas Instruments）
从图1和图2可以注意到，这些器件要求工具一侧向隔离器的工具一侧供电，而目标一侧向其目标一侧供电。忘记从各自的电源为每一侧供电，是导致隔离栅两端缺乏通信的常见原因，因此在安装过程中应注意确保两侧都有供电。
选择SPI隔离器
保护SPI总线可能比保护I2C总线更棘手一点。I2C总线只包含两条通信线路，无论总线上连接了多少个器件。而SPI总线包含三条数据线，分别用于主输出、主输入和时钟。除了这三条数据线外，每个连接到SPI总线的器件还需要一条从设备选择线路。因此，任何SPI隔离器还必须包含几条用于从设备选择线路的隔离线路。
有几种隔离器非常适合用于保护SPI开发工具。第一种是Analog Devices推出的ADUM3154 SPI隔离器。ADUM3154使用磁性耦合机制，以高达17兆位每秒 (Mbps) 的数据速率跨越隔离栅传输数据。该速率不仅覆盖大多数微控制器SPI外设的最大波特率4Mbps，也覆盖存储器接口控制器的常用数据速率。ADUM3154还支持多达四个隔离的从设备选择（图3）。
图3：ADUM3154是Analog Devices推出的四通道SPI隔离器，可处理高达17Mbps的数据速率。（图片来源：Analog Devices）
如果17Mbps速率不足以满足需求，还可以选择Analog Devices提供的ADUM3151BRSZ-RL7（图4）。
图4：ADUM3151是Analog Devices推出的七通道SPI隔离器，可处理高达34Mbps的数据速率。（图片来源：Analog Devices）
ADUM3151也使用磁性耦合机制，但可处理高达34Mbps的数据速率。它还有四个通道可用于从设备选择。
选择串行线调试 (SWD) 隔离器
在嵌入式软件工程师通常拥有的开发工具中，调试探头是最昂贵的工具之一。一个好的调试探头价格可高达几千美元。虽然编程线路出问题的可能性较低，但不值得冒险。
开发人员可以开发自己的隔离解决方案来保护所有SWD线路，但是这样做比较耗时，成本也较高。有一种简单的解决方案是使用SEGGER Microcontroller Systems的J-Link SWD 隔离器（图5）。
图5：SEGGER Microcontroller Systems推出的J-Link SWD隔离器可在调试编程器与目标系统之间提供1000伏的隔离。（图片来源：SEGGER Microcontroller Systems）
J-Link SWD可在仿真器与目标硬件之间提供1000VDC的隔离。
选择和构建UART隔离器
很多开发人员可能认为隔离小型UART是在浪费时间和金钱。毕竟，如果一个低成本工具（例如SparkFun Electronics的BOB-12731 USB转串口分线板）发生故障，可以很容易更换。然而，如果确实发生故障，另一侧可能有价值几千美元的计算机设备应该受到保护。因此，投入这种额外的时间和金钱非常值得。
装配UART保护电路的步骤很简单，也可以按照类似的步骤来保护其他总线接口。首先需要选择一个隔离器。前面讨论的ADUM3211是很好的选择，因为它具有两个方向相反的高速隔离通道。这非常适合于UART的Tx/Rx线路，这些线路通常彼此相邻。
在选择隔离器之后，开发人员需要使用分线板，如Aries Electronics的LCQT-SOIC8-8（图6）。该分线板已包含针座，因此能够轻松焊接到BOB-12731上。
图6：Aries Electronics的LCQT-SOIC8-8用作SOIC-8芯片的分线板，而该芯片具有板上跳线，可快速连接目标设备。（图片来源：Aries Electronics）
将隔离器焊接到分线板上，然后焊接到UART适配器上时，务必确保电压和接地引脚正确对齐。否则，隔离器可能无法加电。此外，还必须确保隔离器通道的方向正确。如果分线板或隔离器无法正确对齐，可能有必要定制一个分线板（图7）。
图7：组装完成的UART隔离器电路已连接了USB-UART转换器，可提供与目标设备之间的定制隔离通信。（图片来源：Beningo Embedded Group）
组装完成后，USB-UART转换器将向隔离器的工具一侧供电，而目标设备将向目标一侧供电。结果是一个得到隔离的双向UART工具，可受到最高2500伏的保护。
关于隔离开发工具的建议和提示
很多技术和隔离接口可用于保护开发工具。下面是关于保护工具投资的几项建议和提示：
- 查看规格书，确保电压隔离规格符合您的需要。
- 熟悉不同的隔离机制，确保为应用选择正确的技术。
- 隔离任何连接回笔记本电脑USB端口的总线或接口，因为它是可能造成损坏的接地路径。
- 对所选的隔离器利用现有的开发套件或者使用分线板，以缩短开发时间，降低开发成本。
- 使用SWD隔离器保护专业调试器。
总结
许多嵌入式系统开发人员在将昂贵的开发工具连接到测试中硬件时，不能做到三思而后行。这样做通常不会有什么问题。不过，有时会发生意外事件，使开发工具暴露在超出规格的电压和电流下，从而导致损坏。为了避免在最后一刻匆忙地恢复工作台的正常运行，应事先花上几个小时，使用市面上的很多隔离解决方案来正确隔离工具，从而提高开发效率，降低开发成本。
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