概述
通用串行总线(USB)已经成为外围设备与个人计算机连接的标准方式。如果一个与 PC 连接的设备需要电气隔离，USB 将是一个很自然的选择接口。USB 的两个著名的隔离应用是基于 PC 平台的医疗设备和具有很大地电位差的工业应用。

USB 基础信号
USB 具有以下三种工作速率：

低速，1.5Mbps

全速，12Mbps

高速，480Mbps

本文讨论全速(12Mbps) USB 连接的光隔离，12Mbps 的速度可满足一般数据传输的带宽要求，设计中使用廉价光耦，支持足够的数据传输速率。

USB 连接器包含四条线：2 条用于电源供电(VBUS 和 GND)，2 条用于 USB 数据传输(D+和 D-)。VBUS 提供 5V 电源，电流可达 500mA。D+和 D- 为双向信号线，信号传输速率为 12Mbps (每位 83ns)。D+和 D- 信号电平为 3.3V。

USB 隔离的设计挑战

图 1. 一个 USB 外设可以在三个位置隔离：位置 1，USB 总线；位置 2，收发器接口；位置 3，应用接口。现在绝大部分设计中，SIE 和收发器集成在一起，无法在位置 2 实现隔离。
 

USB 外设结构框图如图 1 所示。从右至左来看该图，USB 收发器连接至 D+和 D-，发送或接收数据都由 OE (输出使能)控制。中间单元是 USB 串行接口引擎(SIE)，其作用是将总线信号(由收发器发送和接收)转换成字节数据或 USB 信号，以供 USB 外设使用。最左边的单元是应用电路，可能是微处理器、专用集成电路或数字信号处理器(DSP)。

标记 1、2 和 3 的灰色的长方形，显示了放置光耦、隔离 USB 设备与主计算机的三种可能位置。

图 2. 示波器显示 USB D+和 D- 信号(图 1 中的位置 1)，83ns 的位时间和严格匹配的上升 / 下降时间，使光耦隔离很难保持信号的保真度。D+和 D- 是双向信号，使得隔离更加复杂。
 

位置 1

下列理由说明在 USB 总线上进行光耦隔离是不切实际的，见图 2：

信号速率为 12MHz，对于性价比较高的隔离器来说成本过高。

D+和 D- 信号的传输延迟、偏差必须完全一致，使用光耦隔离器很难满足一致性要求。

总线为双向，而隔离器为单向，使光耦隔离更加复杂。而且对于一个使用集成收发器的外围设备，无法得到 OE 信号(指示传输方向)。

位置 2

使用外置收发器的 USB 外设其收发器接口暴露在外部，对于这些单向信号可以考虑使用光耦隔离。尽管如此，这个位置和位置 1 有着相同问题：数据速率过高，而且有多路 12MHz 速率的信号需要隔离。VPO、VMO、RCV、VPI 和 VMI 信号都运行在 12MHz 速率，必须严格保持这些信号传输延迟、偏差的一致性。此外，现代 USB 设计中将 SIE 和收发器集成在同一芯片，也很难获得这个接口。

位置 3

这是最有希望实现隔离的位置，这个接口工作速率低于 USB 数据速率和线速率，且该接口可以完全由单向信号构成。事实上，一个理想的接口应该只使用少量单向信号，且这些信号的数据速率远低于 USB 的 12MHz 信号速率。

符合这些要求的理想接口是 SPI (串行外围设备接口)，该接口由 Motorola 定义，现已用于许多半导体器件。由于其简单、高效，SPI 成为非常流行的接口。

SPI 基础信号

表 1 给出了 SPI 接口的 4 个信号。SPI 为主从式接口，主接口启动并控制与一个从接口的通信。主机提供从机选择信号(SS#)和串行时钟(SCLK)，用于同步数据传输。SPI 接口具有四种时钟模式，具体由 2 个模式信号 CPOL (时钟极性)和 CPHA (时钟相位)决定，这些信号表示为(CPOL, CPHA)。

图 3 描述了微处理器与 SPI 从设备间的 SPI 数据传输，图 3 采用最常见的 SPI 模式(0,0)。在(0,0)模式中，时钟在无效状态下为低电平。SPI 主机在第一个 SCLK 上升沿之前将 MOSI 数据准备好。SPI 数据在 SCLK 下降沿变化，主从设备均在上升沿对数据进行采样。

图 3. 工作在模式(0,0)的 SPI 接口，如果 SCLK 信号为低有效(静止状态为高)，同样的接口也可工作在模式(1,1)。这些低频信号易于进行光隔离。
 

很容易在微处理器上实现 SPI 接口，即使是没有包含硬件 SPI 单元的微处理器。SPI 接口只需要微处理器通过 4 个通用 IO 引脚(GPIO)构建图 3 信号，子程序可通过直接触发 IO 引脚的读写操作实现。

图 4 显示了 USB 外设控制器使用 SPI 接口时，SPI 与 USB 的数据速率差异。图中，主控制器实现 USB 键盘功能，并周期性地点亮一个 LED 灯。图 5 所示 SPI 数据传输可由 LED 闪烁指示(触发一个输出位)；USB 通信为 USB 主机请求键盘数据。

两种总线之间数据速率的差异很显著。频率较低的单向 SPI 信号比 12MHz 的双向 USB 总线信号更易于隔离。SPI 信号使隔离方法变得非常简单，能在任何频率下运行，适用于各种光隔离器。

图 4. SPI 数据速率和 USB 信号速率的比较。SPI 信号更易于通过光耦传输。
 

系统如何按照图 4 使得存在巨大差异的 USB 控制器的 SPI 总线速率与 USB 信号速率协调工作呢? USB 的优点之一是通过内部流量控制实现“自节流”。通过使用“NAK" (非应答)握手信号完成信号流量控制。由此，外围设备告知主机请求的数据还没准备好，主机应稍后再试。

SPI 数据速率和 USB NAK

图 5. USB 总线的低速外围设备对主机 IN 数据请求的响应。主机在信息包 362-364 中发出数据请求。外围设备发出信息包 420 表示数据准备就绪。插入的 IN-NAK 信息包为 USB 流量控制，外围设备在数据准备就绪之前始终响应 NAK。

图 5 显示了 USB 数据传输的流量控制机制。从信息包 362 开始，主机发出 Get_Descriptor-Configuration 请求。信息包 363 从第二个字节到最后一个字节的 09 表示主机请求外设发送 9 个字节的数据。外设在信息包 364 中对请求应答，然后对请求进行译码，并将请求数据装入数据 FIFO 的末端 0 处。低速外围设备需要一定时间才会应答这个请求，低速 SPI 总线会进一步延长响应时间。

988.667 微秒后(信息包 364 后)，主机在信息包 366 中开始请求发送数据。外设没有数据，USB 硬件自动产生 NAK 握手响应，表明“忙碌中，稍后再试”。主机在信息包 368 中重试，并从外设获得同样的 NAK 应答。这个 IN-NAK 过程一直持续到信息包 419，外设最终完成请求数据的装载，并在数据末端 0 处准备数据发送。此时，外设在信息包 420 中将以 9 字节的数据包响应取代 NAK，主机在信息包 421 中应答。

IN-NAK 响应(图 5 中用虚线矩形标出)可能发生多次，这意味着 SPI 接口的工作速率没有最低限制。允许设计者调整 SPI 数据速率，以适应高性价比设计中的光耦选择。

隔离 USB 设计实例

 

图 6. 隔离 USB 设计原理图，左边部分由 USB 总线自身供电，右边部分使用隔离电源供电。在 SPI 接口处进行隔离，使得设计简单，并且不受 USB 总线时序的影响。

图 6 是利用 Atmel®的低成本微处理器 AtTiny13 (U6)、光耦 HCPL-2531 (U3-5)和 MAX3420E (U1)构建，MAX3420E 是带有 SPI 接口的 USB 外设控制器。虽然 U6 不包含硬件 SPI 单元，通过对 GPIO 引脚进行“逐位控制”可以很容易地实现 SPI 接口。U1 提供四个通用输入、四个通用输出引脚取代(加至) U6 实现 SPI 接口的引脚。这个设计使用两个输出引脚驱动 LED 指示器 D1 和 D2，一个输入引脚连接至按钮 PB1。因为 U1 本身包含由 SPI 接口控制的 IO 引脚，这些 IO 与 U6 本质上是隔离的，因此不需要额外隔离。

图 7. 在隔离接口两侧的 SPI SCLK 信号，上部：ISOVCC = 8.3V，ISOGND = 5V。下部：由 USB 供电：VCC = 3.3V，GND = 0V。
 

图 7 显示了隔离接口两侧的 SCLK 信号，两条曲线的基线都在屏幕底部。上部曲线显示由 U6 产生的 SCLK 信号，但有 5V 的偏移。

图 8. 隔离的 SCK 信号(上部)和处于 MAX3420E 侧的 SCK 信号(下部)，扩大比例显示。
 

图 8 是图 7 放大比例后的图形，用于说明光耦的性能。这个设计中选择的电阻使光耦在起始位置有 0.5µs 的延迟。SCLK 中间部分的短脉冲由 U6 驱动 SCLK IO 引脚的程序产生。U6 的这部分程序如图 9 所示。

图 9. AtTiny13 对 MAX3420E 寄存器进行读操作的汇编程序。在此可以调整 SPI 接口的时序以提高光耦的性价比。
 

在 r4 标号前，SCK 信号驱动为低电平，然后再次驱动为高电平(SCLK_LO 和 SCLK_HI 是汇编宏，不需要改变代码就可以很容易对实际电路的 IO 引脚赋值)。

这两个语句之间插入少量 NOP 指令，图 8 中的窄脉冲可以变宽，由此，使用低速光耦(这意味着更低的成本)成为可能。这个方法证明在光隔离应用中使用 SPI 接口的灵活性。

结论
由于 USB 数据信号的高速、双向和严格的一致性要求，电气隔离 USB 设计面临诸多挑战。如果隔离 USB 控制器和应用处理器之间的接口(图 1 中的位置 3)，隔离问题将会变得简单，因为这个接口可在任意速率下运行。位置 3 的低信号速率使其非常适合低成本光耦解决方案。对于任何隔离设计，需要隔离的线路越少，成本就越低。因为 SPI 接口只使用四条低速、单向信号线，所以 SPI 接口是隔离的理想位置。因为 MAX3420E 可以通过简单的 SPI 接口与任意的微处理器进行通信，是嵌入式系统增加 USB 功能的理想方案，也为系统提供了简单的隔离方案。MAX3421E 也可以用作隔离型 USB 主设备，MAX3421E 即可作为外围设备也可作为主设备，使用与 MAX3240E 相同的 SPI 接口。