El aislador digital simplifica el aislamiento USB en aplicaciones médicas e industriales

El ordenador personal (PC), actualmente el dispositivo de procesamiento de información estándar para la oficina y el hogar, se comunica con la mayoría de los periféricos utilizando el bus serie universal (USB). La estandarización, el coste y la disponibilidad de software y herramientas de desarrollo han hecho que el PC resulte muy atractivo como plataforma de procesadores para aplicaciones médicas e industriales, pero los requisitos de seguridad y fiabilidad de estos mercados en crecimiento, especialmente en lo que respecta al aislamiento eléctrico, son muy diferentes de los del entorno de escritorio que históricamente han guiado el diseño del ordenador personal.

En los primeros tiempos, los ordenadores personales estaban equipados con puertos serie y paralelos como interfaces estándar con el mundo exterior. Estas normas se heredaron de los primeros ordenadores centrales. Otro estándar de comunicación disponible, el RS-232, aunque era lento, se adaptaba bien a los entornos médicos e industriales, ya que permitía implementar fácilmente el aislamiento robusto necesario. Su baja velocidad y su naturaleza de punto a punto se toleraron porque estaba disponible de forma universal y tenía un buen soporte.

El USB, que ha llegado a sustituir al RS-232 como puerto estándar en los ordenadores personales y sus periféricos, tiene características muy superiores al antiguo puerto serie en casi todos los aspectos. Sin embargo, ha sido difícil y caro proporcionar el aislamiento necesario para las aplicaciones médicas e industriales, por lo que el USB se ha utilizado principalmente para puertos de diagnóstico y conexiones temporales.

Este artículo trata de diferentes formas de aplicar el aislamiento con USB. En particular, una nueva opción, el ADuM4160¹ El Aislador USB, ya está disponible en Analog Devices. Este revolucionario producto proporciona un aislamiento sencillo y económico de los periféricos, incluidas las líneas D+ y D-, aumentando la utilidad del USB en aplicaciones médicas e industriales.

Acerca del bus serie universal (USB)

El USB es la interfaz serie preferida para el PC. Soportado por todos los sistemas operativos comerciales populares, permite la conexión sobre la marcha del hardware y los controladores. Pueden existir hasta 127 dispositivos en la misma red hub-and-spoke. Los múltiples modos de transferencia de datos lo manejan todo, desde las grandes transferencias de datos para los dispositivos de memoria hasta las transferencias isócronas para el streaming de medios, pasando por las transferencias con interrupción para los datos de tiempo crítico, como los movimientos del ratón. El USB funciona con tres velocidades de transferencia de datos velocidad baja (1,5 Mbps), a toda velocidad (12 Mbps), y alta velocidad (480 Mbps). Cuando se creó este sistema, se hizo hincapié en las aplicaciones de consumo; las conexiones tenían que ser sencillas y robustas, y los controladores de la capa física y la señalización absorbían la complejidad.

La capa física del USB consta de sólo cuatro cables: dos proporcionan alimentación de 5 V y tierra al dispositivo; los otros dos, D+ y D-, forman un par trenzado que puede transportar datos diferenciales (Figura 1). Estos cables también pueden transportar datos de un solo extremo, así como ociosa estados que se implementan con resistencias pasivas. Cuando un dispositivo se conecta al bus, las corrientes de la configuración de la resistencia pasiva negocian la velocidad, y establecen un estado de reposo no entrenado. Los datos se organizan en tramas o paquetes de datos. Cada trama puede contener bits para la sincronización del reloj, el identificador del tipo de datos, la dirección del dispositivo, la carga de datos y una secuencia de fin de paquete.

El control de esta compleja estructura de datos se realiza en cada extremo del cable mediante un motor de interfaz en serie (SIE). Este controlador especializado -o parte de un controlador mayor, que suele incluir el hardware del transceptor USB- se encarga del protocolo USB. Durante enumeracióncuando un dispositivo se conecta por primera vez al cable, el EIS proporciona al host la información de configuración y los requisitos de alimentación. Durante el funcionamiento, el EIS formatea todos los datos según el tipo de transferencia requerido, y proporciona una comprobación de errores y un tratamiento automático de los fallos. El EIS gestiona todo el flujo de control en el bus, habilitando y deshabilitando los controladores y receptores de línea según sea necesario. El sitio host inicia todas las transacciones, que luego siguen una secuencia bien definida de intercambios de datos entre el host y el dispositivo, incluyendo disposiciones para la corrupción de datos y otras condiciones de error. El EIS puede estar incrustado en un microprocesador, por lo que sólo puede proporcionar las líneas D+ y D- al dispositivo. Aislar este autobús presenta varios retos:

1. Los aisladores son casi siempre dispositivos unidireccionales, mientras que las líneas D+ y D- son bidireccionales.
2. El EIS no proporciona un medio externo para determinar la dirección de la transmisión de datos.
3. Los aisladores serán compatibles con las funciones de pull-up y pull-down de las resistencias pasivas, haciéndolas coincidir a través de la barrera.

Los enfoques típicos para aislar el USB buscan en gran medida eludir los retos anteriores.

Una primera aproximación: Desplaza la interfaz USB completamente fuera del dispositivo que requiere aislamiento (Figura 2). Muchos dispositivos conectan los buses serie genéricos con el USB; en este ejemplo se muestra una interfaz RS-232 a USB. El EIS proporciona una función de interfaz serie genérica; el aislamiento se implementa en líneas serie de baja velocidad. Sin embargo, este enfoque no aprovecha las ventajas del USB. Todo lo que se ha creado es un puerto serie que se puede cargar sobre la marcha. El CI de la interfaz podría personalizarse modificando el firmware para identificar el dispositivo, creando así un controlador personalizado; pero cada dispositivo requeriría un adaptador personalizado. A menos que el adaptador esté permanentemente unido al aparato, sería una pesadilla de mantenimiento. Además, la velocidad de la interfaz se limitaría a la de un RS-232 estándar, nada que ver con la velocidad del USB, incluso a bajas velocidades.

Un segundo enfoque: Utiliza un EIS autónomo que tenga una interfaz fácilmente aislada (Figura 3). Varios productos del mercado utilizan interfaces unidireccionales rápidas, como la SPI, para conectar un EIS a un microprocesador. Los aisladores digitales, como el aislador digital de cuatro canales ADuM1401C, aíslan completamente un bus SPI. El EIS contiene un búfer que puede ser llenado por el bus SPI, por lo que la velocidad de funcionamiento del SPI puede ser en gran medida independiente de la velocidad del USB. El EIS negociará con el host USB la mayor velocidad de conexión posible y distribuirá los datos a la velocidad de bus negociada hasta que no tenga más datos en el buffer. El EIS indicará entonces al host que vuelva a intentarlo si se esperan más datos, dando tiempo a que el SPI llene los búferes para otro ciclo de transferencia. Aunque es muy eficaz, este sistema suele requerir la modificación de los controladores del dispositivo y la omisión de las funciones USB existentes integradas en el microprocesador del dispositivo. Esta solución es cara en términos de componentes y espacio en la placa.

Un tercer enfoque: Si el microprocesador EIS utiliza un transceptor externo, se pueden aislar las líneas de datos y de control al transceptor (Figura 4). Pero el USB requiere hasta nueve líneas de datos unidireccionales entre un EIS y su transceptor. Esto representa un gasto importante en los aisladores digitales de alta velocidad. Además, el aislador digital más rápido disponible funciona a unos 150 Mbps. Aunque es mucho más rápido que el USB de baja y plena velocidad, no puede manejar datos de alta velocidad, lo que limita el rango de velocidad de la interfaz USB. Esta solución es totalmente compatible con los controladores USB proporcionados por el EIS del microprocesador, lo que reduce los costes de desarrollo, pero los numerosos canales de aislamiento necesarios hacen que su implementación sea costosa. Las tendencias del mercado hacia una mayor integración harán que este tipo de interfaz de transceptor quede obsoleta.

Un cuarto enfoque: Insertar aislamiento directamente en las líneas D+ y D- (Figura 5). Esto permite añadir el aislamiento D+/D- a las aplicaciones USB existentes sin reescribir los controladores ni añadir un EIS redundante, lo que supone una ventaja considerable respecto a otros enfoques. Sin embargo, el aislamiento de las líneas D+ y D- complica la situación, ya que el dispositivo debe ser capaz de manejar el flujo de control como un EIS, además de permitir las resistencias pull-up y la determinación de la velocidad a través de su barrera de aislamiento. También debe funcionar sin la sobrecarga de los controladores de dispositivos adicionales.

Estos retos se han abordado con el aislador USB ADuM4160 (Figura 6), un nuevo dispositivo a escala de chip que admite el aislamiento directo de las líneas D+ y D- del USB a baja y plena velocidad.

Dispositivos analógicos iAcoplador^® tecnología³ es especialmente adecuado para la construcción de un aislante USB. Los principales retos en el desarrollo de un aislador USB son determinar correctamente la dirección de la transmisión de datos y saber cuándo desactivar los controladores para permitir un estado de bus inactivo. La naturaleza orientada a paquetes de los datos USB permite un método sencillo para determinar la dirección de los datos sin la sobrecarga de un EIS completo. Cuando el bus está inactivo, las resistencias pull-up y pull-down mantienen el USB en un estado inactivo sin que ningún búfer conduzca el bus.

El ADuM4160 monitoriza los segmentos ascendente y descendente del bus, esperando una transición en cualquier dirección. Cuando se detecta una transición, se codifica y se transmite a través de la barrera. Los datos se descodifican y los controladores de salida se activan para transmitir en el otro segmento de cable. A partir de esta primera transición, se identifica el sentido del flujo de datos y se desactivan los canales de aislamiento inverso. El aislador sigue transmitiendo datos en la misma dirección mientras se sigan recibiendo datos. Cuando el paquete USB está completo, se transmiten unos datos especiales, la secuencia de fin de paquete (EOP). El EOP contiene una señal no diferencial que no tiene que incluirse en una estructura de datos. El aislador puede distinguir un marcador EOP de los datos válidos. Esto indica que el bus debe volver al ociosa estado. Los controladores de salida se desactivan y el aislador comienza a monitorizar sus entradas ascendentes y descendentes para la siguiente transición, que definirá la siguiente dirección de transmisión de datos.

Además, los temporizadores de vigilancia devuelven el aislador a su estado de reposo cuando se produce un error en el bus. El ADuM4160 aprovecha el esquema de aislamiento basado en la transición, una de las principales capacidades del ADuM4160 iTecnología de acoplamiento.

El aislador también debe admitir resistencias pull-up y pull-down. Cada lado del aislador soporta un segmento de bus USB independiente, con todas las resistencias de polarización presentes en el estado de reposo. La resistencia pull-up señala que un nuevo dispositivo en el bus debe pasar por la secuencia de inicialización, llamada enumeración. Conocer la velocidad de funcionamiento del aparato y el momento en que debe conectarse el pull-up permite iniciar la enumeración de forma controlada. Hay varios factores que pueden afectar al estado de la resistencia de pull-up ascendente. Existen diferentes combinaciones de tensión de alimentación previa y posterior. El aislador está diseñado para ofrecer un funcionamiento predecible en todas las combinaciones especificadas de potencia disponible. A veces, un dispositivo querrá retrasar la aplicación de la resistencia de pull-up ascendente, si necesita completar su propia inicialización local antes de iniciar la enumeración del USB, por ejemplo. El ADuM4160 proporciona una clavija de control en el lado descendente de la pieza para permitir que el dispositivo determine la temporización de la enumeración.

Otras características disponibles en el dispositivo son la capacidad de funcionar con una fuente de alimentación de 5-V o 3,3-V. Por tanto, sólo se necesita una fuente de alimentación en el aparato; puede ser de cualquier voltaje. El ADuM4160 también se ha diseñado con una robusta protección ESD para permitir la conexión en caliente de los pines D+ y D- a los conectores sin necesidad de circuitos de protección externos en la mayoría de los casos.

Es probable que el ADuM4160 se utilice de una de estas tres maneras:

• Se instalará en un dispositivo para aislar su puerto ascendente. El ADuM4160 se ha diseñado con esta configuración como aplicación básica. Esto conduce a las configuraciones de potencia y control más sencillas (Figura 7).
• Se puede utilizar para aislar un concentrador y, por tanto, todos los dispositivos que se encuentren a continuación del concentrador (Figura 8).
• Puede utilizarse en una configuración de cable aislado (Figura 9).

Las siguientes ilustraciones muestran cómo se conectará el ADuM4160 en cada una de estas aplicaciones.

En la aplicación del dispositivo (Figura 7), en la que el dispositivo tiene su propia fuente de alimentación, el cable USB casi no requiere energía: unos 10 mW para hacer funcionar el lado de subida del aislador y la resistencia de pull-up. Como el aparato funciona a una sola velocidad, el aislador está cableado para el ajuste de velocidad deseado, es decir a toda velocidad o velocidad baja. Si el puerto periférico se encuentra alta velocidad-capaz, entonces envía un patrón de chirrido de alta velocidad durante la enumeración. Esto normalmente iniciaría las negociaciones para el funcionamiento a alta velocidad, pero el ADuM4160 bloquea la señal chirp y obliga automáticamente al dispositivo de alta velocidad a funcionar a a toda velocidad. Para los dispositivos de baja potencia que no tienen su propia fuente de alimentación, se puede utilizar un convertidor aislado de CC a CC, como el ADuM5000, para alimentar el dispositivo y el ADuM4160, tomando la energía del cable USB.

Cuando se utiliza como aislante del concentrador (Figura 8), el ADuM4160 trata al concentrador como su periférico. El ADuM4160 está configurado a máxima velocidad; el resto de la aplicación es similar al caso del dispositivo estándar comentado anteriormente. El cubo se verá obligado a funcionar a toda velocidad por la intervención del aislador en su función de chirrido. El CI del concentrador permitirá la conexión a combinaciones de dispositivos de baja y plena velocidad, incluso si el aislador funciona a una velocidad fija. El concentrador suministra energía al puerto descendente del aislador y la enumeración puede comenzar tanto en el encendido como fuera de línea. El concentrador suele requerir más potencia de la que puede suministrar el cable de subida a través de un convertidor aislado de CC a CC.

La conducción de un cable USB aislado (Figura 9) requiere el uso de un convertidor CC-CC para alimentar el puerto y el cable descendente. Para cumplir los requisitos de la especificación USB, el segmento descendente del cable debe proporcionar una alimentación de 5 V al pull-up del dispositivo. Un convertidor CC-CC aislado, como el ADuM5000, puede suministrar esta energía con suficiente remanente para alimentar dispositivos descendentes con bajos requisitos de potencia. La figura 9 muestra el uso de un ADuM5000 isoPower^® dispositivo.³ En esta aplicación, los pines de velocidad cableados del ADuM4160 se vuelven algo incómodos. El cable sólo funciona a una velocidad USB a la vez; hay que recablear para cambiar los modos de velocidad, ya sea manualmente, mediante simples interruptores, o con circuitos más elaborados, según las necesidades del usuario final.

Conclusión

El USB está aquí para quedarse. El ADuM4160, un revolucionario producto de aislamiento, permitirá aislar de forma sencilla y económica los dispositivos en aplicaciones USB. Esto, a su vez, aumentará la penetración del USB en el espacio de las aplicaciones médicas e industriales mucho más allá de los puertos de diagnóstico y las conexiones temporales. El enfoque del ADuM4160 en el aislamiento de la línea D+/D- hace que la implementación sea extremadamente sencilla. Soporte para ambos a toda velocidad y velocidad baja el funcionamiento a baja velocidad proporciona un ancho de banda suficiente para una amplia gama de aplicaciones.

Referencias

¹Puedes encontrar información sobre todos los componentes de ADI en www.analog.com.

²www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/standard-digital-isolators.html.

³www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/isopower.html.