Der Universal Serial Bus (USB) ist als Standard zur seriellen Kommunikation zwischen Computern und Peripheriegeräten allgegenwärtig. Industriegeräte hingegen nutzen in vielen Fällen auch heute noch den älteren Standard RS-232 für Debug- oder Master/Slave-Verbindungen. Für besondere Robustheit durch differenzielle Kommunikation sorgen die ebenfalls weit verbreiteten Standards RS-422 oder RS-485. Dabei bleibt RS-485 der Physical-Layer-Standard, den verschiedene leitungsgebundene industrielle Netzwerk- oder Feldbus-Protokolle nutzen. Das führt dazu, dass Tools für Debugging oder Überwachung (Monitoring), zum Beispiel Laptops, für die serielle Kommunikation ausschließlich über USB-Anschlüsse verfügen, während Industriegeräte nur mit RS-232-, RS-422- oder RS-485-Schnittstellen ausgestattet sind. Lösen lässt sich diese Diskrepanz nur über Schnittstellen-Wandler.

Eckdaten

Analog Devices stellt mehrere Varianten vor, um die in der Industrie üblichen seriellen Schnittstellen an USB anzubinden. Wichtig neben dem USB-UART-Chip ist dabei vor allem die galvanische Trennung von Signal- und Power-Leitungen. Hierfür gibt es mehrere passende Bausteine.

Zusätzlich zu den Hardware-Schnittstellen, die für alle USB-zu-UART-Wandlungen erforderlich sind, ist eine galvanische Isolation der Schnittstellenschaltkreise unabdingbar, um die Funktion sicherzustellen und Anwender zu schützen. Die galvanische Trennung befindet sich zwischen Test- oder Überwachungsgeräten und Industriegeräten, die in elektrisch rauer Umgebung genutzt werden. Mit einer Kombination aus Schnittstellen-, I-Coupler- und Isopower-Isolationstechnologie von Analog Devices, integriert in zahlreichen ICs, lässt sich die Kluft zwischen USB und industriellen Schnittstellen überbrücken.

Warum galvanische Trennung

Beim Anschluss von Industriegeräten ist es von entscheidender Bedeutung, beim Betrieb dieser Systeme Interferenzen zu vermeiden. Galvanische Isolation verhindert jeglichen Stromfluss und erlaubt zugleich die Übertragung von Daten. Die zu testende Einheit (Unit under Test) und die Debug-Einheit werden gleichermaßen geschützt. Beim Anschluss von Debug-Konsolen (zum Beispiel Laptops) gibt es mehrere Gefahren (Bild 1):

Bild 1: In industriellen Anwendungen lauert eine ganze Reihe potenzieller elektrische Gefahren, die robuste und galvanisch isolierte Schnittstellen erfordern.

Bild 1: In industriellen Anwendungen lauert eine ganze Reihe potenzieller elektrische Gefahren, die robuste und galvanisch isolierte Schnittstellen erfordern. Analog Devices

  • Falls das Debug-Equipment mit Masse verbunden ist, können durch Differenzen im Massepotenzial Schleifenströme entstehen.
  • Falls das Debug-Equipment nicht mit Masse verbunden ist, können statische Entladungen auf die zu testenden Einheiten durchschlagen.
  • Gefährliche Spannungen können in Folge von Schaltrauschen von Motoren und Relais auf Feldbus-Netzwerken auftreten.
  • Manche Basis-Diagnosegeräte, wie etwa Laptops, besitzen eventuell nicht den gleichen strengen Schnittstellenschutz wie Industriegeräte.

Bei einer USB-zu-UART-Schnittstelle hat der Entwickler die Wahl: Entweder isoliert er die USB- oder die UART- Schnittstelle (RS-232/RS-485/RS-422). Theoretisch könnte er auch eine galvanische Trennung beider Schnittstellen vornehmen, um das Schnittstellenmodul selbst zu schützen oder eine Sicherheitsisolation von zwei Basis-Isolationsschnittstellen in Serie zu realisieren.

Isolieren mit I-Coupler

Digitalisolatoren mit I-Coupler-Technologie bieten ein hohes Maß an Robustheit für die galvanische Trennung, benötigen weniger Energie als Optokoppler und arbeiten zuverlässiger. Zusätzliche Funktionen (zum Beispiel Transceiver) lassen sich in Einchip-Lösungen integrieren. Gegenüber nicht-isolierten Lösungen benötigen diese nur wenig mehr Platz auf der Leiterplatte. Dies ist ein besonderer Vorteil bei der galvanischen Trennung von RS-232- oder RS-485-Schnittstellen, bei denen bereits ein IC erforderlich ist, um die geeigneten Spannungen zu übertragen und zu empfangen.

Bei USB müssen Entwickler die beiden Signale D+ und D- transparent isolieren, damit keine Interferenzen mit dem USB-Handshaking entstehen oder individuelle Software-Treiber erforderlich sind. Beim Einsatz eines Digitalisolators für USB, wie etwa dem ADuM3160, lässt sich dies in einem Baustein mit Wide-Body-SOIC-Abmessungen erreichen.

Bild 2: Das Blockschaltbild des ADM3252E zeigt, dass bei dem RS-232-Baustein die Signale, Transceiver und Stromversorgung galvanisch isoliert ausgelegt sind.

Bild 2: Das Blockschaltbild des ADM3252E zeigt, dass bei dem RS-232-Baustein die Signale, Transceiver und Stromversorgung galvanisch isoliert ausgelegt sind. Analog Devices

Die Versorgung befindet sich auf einer Seite des Isolators, über dem USB-Kabel. So sollte auch auf der isolierten Seite eine ähnliche Versorgungsspannung zur Verfügung stehen. Mit Isopower, einer ähnlichen Transformatortechnologie für Leistungsisolation auf Chip-Ebene, kann man eine solche Stromversorgung auch in einem Baustein mit Wide-Body-SOIC-Abmessungen oder mit dem ADuM5000 realisieren. Falls zusätzliche Spannungspegel erforderlich sind, kann das Design einen externen Transformator und Gleichrichter verwenden. Dies erfordert einen Transformatortreiber und einen sekundären Regler – die im ADuM3070 enthalten sind.

Um RS-232 zu isolieren, müssen sich Entwickler um das Übertragungs- (TX) und das Empfangssignal (RX) kümmern sowie um einige Steuersignale, zum Beispiel RTS und CTS. Zusätzlich zu einer TTL-Schnittstelle zum UART ist ein RS-232-Transceiver nötig, um diese Signale zu/von RS-232-Spannungspegeln zu wandeln. Auch ist eine isolierte Stromversorgung erforderlich, um den Transceiver und die Transceiver-Seite des Isolators zu versorgen. Alle drei Komponenten (Signal-Isolation, Transceiver und isolierte Leistung) sind im ADM3252E enthalten (Bild 2). Der ADM3252E repräsentiert somit eine komplette isolierte RS-232-Schnittstelle im BGA-Format.

Bild 3: Der ADM2587E gleicht dem ADM3252E, implementiert allerdings RS-485. Hier ist auch ein Isopower-DC/DC-Wandler integriert.

Bild 3: Der ADM2587E gleicht dem ADM3252E, implementiert allerdings RS-485. Hier ist auch ein Isopower-DC/DC-Wandler integriert. Analog Devices

Der RS-485-Standard verlangt auch einen Transceiver zur Anbindung an einen Zwei- (A und B) oder Vierleiterbus (A, B, Y und Z). Die zu isolierenden Signale sind Transmit (TxD), Receive (RxD), Driver Enable (DE) und Receiver Enable (/RE). Ähnlich zur RS-232-Lösung stellt der ADM2587E eine komplett isolierte RS-485-Schnittstelle zur Verfügung (Bild 3). Die Lösung beinhaltet einen integrierten Isopower-DC/DC-Wandler zur Versorgung der Transceiver-Seite des Bauteils. Der Transceiver eignet sich auch für RS-422-Kommunikation.

Optionen für isolierte Schnittstellen

Zur Verbindung mit seriellen Ports an Industriegeräten muss man RS-232-, RS-422- oder RS-485-Transceiver mit einem USB-zu-UART-Chip kombinieren – zum Beispiel dem FTDI FT2232H. Die Isolation kann gesondert bei mehreren seriellen Schnittstellen erfolgen, zum Beispiel ein RS-232-Port mit dem ADM3252E und ein RS-485-Port mit dem ADM2587E; beide befinden sich an der gleichen USB-Verbindung. Dies hat den Vorteil, dass beide Ports voneinander isoliert sind. Das reduziert potenzielle Gefahren beim Anschluss von zwei Industriegeräten. Ferner ist keine speziell isolierte Stromversorgung erforderlich, da die Versorgungen für die Schnittstellenseite beim ADM3252E und beim ADM2587E intern mit Isopower-Technologie erfolgt.

Bild 4: Die Referenzschaltung CN-0373 implementiert eine industrietaugliche USB-UART-Schnittstelle.

Bild 4: Die Referenzschaltung CN-0373 implementiert eine industrietaugliche USB-UART-Schnittstelle. Analog Devices

Bild 5: Das Evaluationboard EVAL-CN0373-EB1Z isoliert einen USB-zu-UART-Chip komplett – sowohl an der USB-Schnittstelle, wie auch an den RS-232- und RS-485-Ports

Bild 5: Das Evaluationboard EVAL-CN0373-EB1Z isoliert einen USB-zu-UART-Chip komplett – sowohl an der USB-Schnittstelle, wie auch an den RS-232- und RS-485-Ports Analog Devices

Alternativ lässt sich die Isolation mit den USB-Isolatoren ADuM3160 oder ADuM4160 leicht an einem Punkt anordnen. Dies bedeutet, dass Entwickler serielle Standard-Schnittstellen-ICs einsetzen können. Allerdings sind die Ports nicht individuell isoliert und eine isolierte Stromversorgungslösung (zum Beispiel der ADuM3070) ist zur Versorgung des USB-zu-UART-Chips, des Transceivers und der Downstream-Seite des USB-Isolators erforderlich.

Beide Konzepte sind im Referenzschaltkreis CN-0373 (Bild 4) auf einer Leiterplatte demonstriert. Analog Devices kombiniert hier den ADuM3160 zur Isolation der USB-Schnittstelle, den ADuM3070 zur Bereitstellung von isolierter Leistung zum Board inklusive des USB-zu-UART-Chips und die Bausteine ADM3252E und ADM2587E zur Isolation von RS-232- und RS-422/485-Schnittstellen.

Sicher ist sicher

Galvanische Trennung ist ein wesentlicher Bestandteil beim Anbinden von Geräten in Industrieumgebungen. Digitalisolatoren mit I-Coupler-Technologie lassen sich in ICs integrieren, die bereits für serielle Industrieschnittstellen benötigt werden und ermöglichen die transparente Isolation von USB-Schnittstellen. Dies gestattet eine komplett isolierte USB-zu-Seriell-Implementierung für Industrie-Anwendungen. Um die möglichen Isolationslösungen für diese Applikation zu zeigen, hat Analog Devices die Circuit Note CN-0373 „Isolated USB to Isolated RS-485/Isolated RS-232 Interface“ verfasst. Diese Lösung isoliert einen USB-zu-UART-Chip komplett – sowohl an der USB-Schnittstelle, wie auch an den RS-232- und RS-485-Ports – und erlaubt den Test und die Demonstration der Robustheit.