【導(dǎo)讀】看著工作臺上的硬件燃起滾滾濃煙，我不禁目瞪口呆。就在片刻之前，電路還一直像期望的那樣好好工作著，突然就聽見如同qiāng聲一樣的電路自毀聲傳來。待測硬件自毀導(dǎo)致了意外的結(jié)果：一直使用的通過USB-to-UART轉(zhuǎn)換器與硬件進行通信的計算機發(fā)生了不可恢復(fù)的USB故障?，F(xiàn)在電腦受損，變成了一堆廢鐵。
可以用便宜的簡單隔離電路保護計算機上的USB端口。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員日常習(xí)慣于將一些奇怪的硬件和元器件插入他們的電腦中，很少考慮他們這樣做會帶來什么樣的后果。
本設(shè)計實例介紹了一種使用Sparkfun USB-to-UART通用板(BOB)搭建的低成本隔離型USB-to-UART轉(zhuǎn)換器。
隔離型USB-to-UART轉(zhuǎn)換器遲早會派上用場。舉例來說，在電池供電設(shè)備的開發(fā)過程中，經(jīng)常會將USB-to-UART轉(zhuǎn)換器連接在設(shè)備上，在沒有采取隔離措施的情況下，會將主機的地和大地連在一起。設(shè)備可能工作非常正常，但當(dāng)跟電腦分開時，它就不能正常工作了。隔離型轉(zhuǎn)換器將設(shè)備和主機的地分隔開來，因此能很早地發(fā)現(xiàn)任何接地問題。
隔離USB-to-UART轉(zhuǎn)換器的最重要用途當(dāng)然是在故障條件下?？紤]將一個未經(jīng)測試的電路板連接到比如MacBook Pro這種昂貴的筆記本電腦的后果吧。USB規(guī)范和硬件層確實有保護電路，但它們不是針對工作在數(shù)百伏直流電壓的設(shè)備設(shè)計的。當(dāng)一臺設(shè)備發(fā)生USB總線故障,并有可能給總線施加超過5V的電壓或很大的電流時，花20美元隔離兩臺設(shè)備是一種明智的決策。
隔離器的選擇
隔離器的選擇需要仔細斟酌。UART一般被認為是低速器件，但現(xiàn)代的微控制器和接口可以支持超過1Mbps的波特率。許多隔離器、特別是光耦隔離器的最大波特率都在100kbps以下。Silicon Labs公司的Si8421BB-D-IS是適合這種應(yīng)用的器件，但不推薦在新設(shè)計中使用。取而代之的是ADUM3211ARZ，但這種器件尚未經(jīng)過嚴格的測試，因此使用需慎重。
Si8421BB可以支持2.5kV的隔離電壓約一分鐘之久。這種隔離器能夠支持高達150Mbps的波特率。Si8421BB-D-IS的小批量價格僅1.46美元，但如果還嫌貴的話，可以選擇僅1.05美元的Si8421AB-D-IS(最大波特率是1Mbps)。Si8421BB-D-IS的另外一個優(yōu)點是，它有兩個采用8引腳SOIC封裝的隔離器，因此非常適合Tx/Rx信號對。這種隔離器是單向的，但布局上可以與Sparkfun USB-to-UART BOB做到引腳兼容。
搭建隔離器
需要訂購少量器件：
這些元器件的總價加上運輸費也就20美元左右。大多數(shù)開發(fā)人員手頭至少有一個項目，因此購買足夠的材料搭建兩到三個產(chǎn)品有助于抵消運輸成本。完整的元器件集應(yīng)該類似于圖1所示：
圖1：隔離型USB-to-UART元件。
組裝隔離器
從把隔離器焊接到SOIC BOB開始(圖2)。然后給兩塊電路板增加插頭，如圖3所示。
圖2：SOIC-8 BOB準備。
USB-to-UART BOB需要一個4腳插頭，4個引腳分別是Gnd、Tx、Rx和VCC。
圖3：插頭布局。
現(xiàn)在隔離板就可以直接焊接到USB-to-UART BOB上了。Si8421BB-D-IS的引腳1是電源，應(yīng)該對接轉(zhuǎn)換板上的FTDI232R IC提供的3.3V。隔離型USB-to-UART轉(zhuǎn)換器的裝配至此結(jié)束！
圖4：裝配好的隔離型USB-to-UART轉(zhuǎn)換器。
測試轉(zhuǎn)換器
USB-to-UART板是通過連接主機的USB電纜中的USB 5V引腳供電的。板載FTDI232R輸出的3.3V給隔離器的第一面供電，第二面需要由待測設(shè)備的硬件供電，可以是3.3V或5V。測試隔離型轉(zhuǎn)換器的最簡單方法是給Si8421BB-D-IS的第二面提供電源和地，然后通過連接Tx和Rx形成一個環(huán)路。隔離板裝置的一個便利之處是，SOIC-8 BOB上未打標簽的引腳直接關(guān)聯(lián)到USB-to-UART絲印，因此Vcc、Tx、Rx和GND都是對準的。
圖5：測試轉(zhuǎn)換器。
最后一步就是測試電路板了。運行你最喜愛的終端應(yīng)用，打開虛擬串口(VCP，就像FTDI設(shè)備驅(qū)動器創(chuàng)建的那樣)。為了充分發(fā)揮性能極限，我將終端速率設(shè)置為最大值921.6kbps。在終端內(nèi)輸入字符應(yīng)該會向隔離器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)再通過環(huán)路返回，終端上應(yīng)該顯示你敲入的字符(圖6)。如果有問題，可以觀察USB-to-UART電路板上的Tx和Rx LED燈。在終端上輸入字符時這兩個燈正常應(yīng)該同時點亮。如果有一個燈沒亮，那么你就能知道從隔離器的哪一側(cè)去找問題。
圖6：隔離型USB-to-UART轉(zhuǎn)換器的環(huán)回測試。
最后的思考
搭建這樣一個簡單的隔離電路板至少有助于提供一開始未能到位的保護功能。作為進一步加固措施，你還可以在UART側(cè)增加靜電放電(ESD)保護功能。
推薦閱讀：
