3.5.10.5 Технология iCoupler фирмы Analog Devices
Изоляторы iCoupler – это устройства гальванической развязки на основе трансформаторов, выполненных на кристалле кремния; эти трансформаторы играют ту же роль, что и пара светодиод/фотодиод в оптопаре. Планарный трансформатор изготовлен в ходе технологического процесса КМОП на этапе металлизации и имеет ещѐ один дополнительный слой осажденного золота. Одну «обмотку» трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера (полиимида). Эти две «обмотки» подключены к быстродействующим КМОП-схемам, которые обеспечивают интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Микроэлектронная технология дает возможность с минимумом затрат осуществить интеграцию нескольких каналов цифровой изоляции и других электронных схем в одном корпусе. Устройства iCoupler не имеют таких присущих оптопарам недостатков, как неопределенный коэффициент передачи тока, нелинейная передаточная функция и дрейф (температурный и временной); кроме того, устройство iCoupler позволяет уменьшить энергопотребление на 90% и для его работы не требуется внешних драйверов и дискретных компонентов.
Электрическая схема, подключенная к первичной «обмотке» трансформатора, преобразует переходы входного сигнала в импульсы длительностью 1 нс, эти импульсы подаются на трансформатор; схема, подключенная ко вторичной «обмотке», принимает эти импульсы и восстанавливает входной сигнал. Схема обновления сигнала (refresh) на входной стороне обеспечивает корректность выходного сигнала, даже если входной сигнал не меняет свое состояние. Это важно в ситуации включения питания, а также при передаче данных с низкой скоростью или при передаче постоянного сигнала.
Рис. 56. Устройство и поперечное сечение изолятора iCoupler.
Так как назначение устройства iCoupler заключается в изоляции входа от выхода, входная и выходная схемы располагаются на различных кристаллах. Собственно трансформатор может быть расположен или на одном из этих кристаллов, или на третьем кристалле. Все кристаллы располагаются в стандартном пластиковом корпусе, в таких корпусах выпускаются многие современные микросхемы.
Особенностью многоканальных устройств iCoupler является наличие в одном корпусе каналов на передачу и на прием. Сами трансформаторы могут передавать сигнал в любую сторону, направление определяется схемами, подключенными к трансформатору. Поэтому многоканальные изоляторы поставляются с различными конфигурациями (с различными сочетаниями направлений передачи).
Примеры реализации гальванической изоляции различных интерфейсов при помощи изоляторов iCoupler демонстрируется на рисунках ниже.
Рис. 57. Использование микросхемы ADuM1400 для реализации гальванической изоляции в интерфейсе RS-232.
Рис. 58. Реализация гальванической изоляции в интерфейсе RS-485 с полным дуплексом.
Рис. 59. Гальваническая изоляция интерфейса I2C на базе ADuM 1250.
3.5.11 Горячее подключение и автоконфигурирование
3.5.11.1 Горячее подключение
Горячее подключение (HotPlug) и горячая замена (HotSwap) – замена оборудования в компьютерной системе во время работы (без выключения питания и остановки процессора, системы). Горячее подключение, отключение и замена устройств предназначено для обеспечения следующих свойств интерфейса [38]:
Во-первых, это безопасность переключений "на ходу" как для самих устройств и их интерфейсных схем, так и для целостности хранящихся и передаваемых данных и, наконец, для человека.
Во-вторых, это возможность использования вновь подключенных устройств без перезагрузки системы, а также продолжения устойчивой работы системы при отключении устройств.
Далеко не все внешние интерфейсы поддерживают горячее подключение в полном объеме, так, например, зачастую сканер с интерфейсом SCSI должен быть подключен к компьютеру и включен до загрузки ОС, иначе он не будет доступен системе. С новыми шинами USB и Fire Wire проблем горячего подключения не возникает. Для внутренних интерфейсов горячее подключение несвойственно. Это касается и шин расширения, и модулей памяти, и даже большинства дисков АТА и SCSI. Горячее подключение поддерживается для шин расширения промышленных компьютеров, а также в специальных конструкциях массивов устройств хранения.
Горячее подключение обеспечивают интерфейсы: USB, FireWire, PCMCIA, PCI Express, Fibre Channel, eSATA, Bluetooth, ZigBee.
В большинстве современных устройств, допускающих горячую замену, используются дополнительные контакты сделанные таким образом, чтобы быть длиннее остальных и первыми входить в контакт с присоединяемой частью. Остальные контакты делаются короче, всего может быть несколько различных длин. Задержка между подключением первого контакта и последующих составляет от 25 до 250 миллисекунд.
Цепи питания подключаются в две стадии, в первой из которых с помощью более длинных контактов подключается цепь, ограниченная по току, а затем более короткими – питание полной мощности. Все цепи, участвующие в соединении, содержат защиту от статического электричества.
Вот пример типичной последовательности подключения:
Замыкаются наиболее длинные контакты (заземление). Тем самым достигается электрическая безопасность соединения и защита от статического заряда.
Замыкаются длинные или средние контакты предварительного питания.
Заряжаются входные контуры цепей питания.
Задержка в десятки миллисекунд.
Подключаются короткие контакты питания.
Соединение считается установленным. Включается сигнал инициализации питания.
Цепь мягкого включения питания подает напряжение на устройство.
Задержка в десятки миллисекунд.
Цепь питания закончила мягкое подключение. Выключается сигнал инициализации питания.
Устройство начинает полноценную работу.
Особую трудность представляет соединение нескольких устройств. Подсоединение второго, третьего устройства может нарушать работу уже подключенного. Для борьбы с этим явлением используют фильтры в выходных цепях или временное логическое отключение передачи данных.
3.5.11.2 Plug and Play Plug and Play (PnP) – технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере и других технических устройствах.
В ряде интерфейсов заложены возможности PnP, которые предназначены для снятия с пользователей забот по конфигурированию подключаемых устройств. В современных интерфейсах эти возможности закладывались изначально (PCI, USB, Fire Wire, Bluetooth), и эти функции в большинстве случаев работают нормально. Однако для интерфейсов-ветеранов (например, ISA, SCSI) технология PnP является поздней искусственной надстройкой, работающей с переменным успехом (Plug and Pray - включай и молись). Часто побочные эффекты вызваны наследием "тяжелого прошлого" - соседством устройств PnP с традиционными (legacy) устройствами. На закате шины ISA ее система PnP в общем работала, но в SCSI от идей автоконфигурирования со временем отказались. При разработке собственных устройств встает вопрос выбора подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать, исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая предпочтение внешним интерфейсам. Следует помнить, что разработка аппаратной части устройства (hardware) тесно связана и с программной поддержкой устройств – как модулями ПО, исполняемыми процессором компьютера (software), так и программами встроенного микроконтроллера (firmware), на базе которого, как правило, строятся современные устройства. Промышленностью выпускается множество моделей микроконтроллеров, имеющих популярные интерфейсы (USB, RS-232, PC и другие). Однако в ряде случаев приходится использовать и стандартизованные шины расширения ввода-вывода. Эти шины предоставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, нескованные жесткими ограничениями внешних интерфейсов. Однако за универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обеспечении совместимости с другим установленным в компьютер оборудованием. Здесь ошибки могут приводить к потере работоспособности компьютера (хорошо если временной). Недаром серьезные производители компьютеров гарантируют работоспособность своих изделий только при установке сертифицированных (ими или независимыми лабораториями) карт расширения. При использовании внешних интерфейсов неприятности в случае ошибок чаще всего имеют отношение только к подключаемому устройству.