NOTA DE APLICACIÓN 5134 Implementación de un módulo de entradas 1-Wire ® Bus

Resumen: El bus 1-Wire se ha convertido cada vez más popular para la autenticación y la calibración de los sensores y consumibles de equipo médico, donde se requiere aislamiento galvánico. Sobre la base de la nota de aplicación 4206, " Cómo elegir el 1-Wire, Director de Aplicaciones incorporadas ", este artículo se explica cómo modificar los ya existentes 1-Wire circuitos principales para poner en práctica el aislamiento galvánico. Además de la optoaisladores clásico, digital aisladores usando acoplamiento magnético y capacitiva se han desarrollado en los últimos años. Esta nota de aplicación presenta cada una de estas tecnologías y líneas de productos, y las identidades y compara los aisladores que son adecuados para su uso en circuitos maestros 1-Wire. 

Una versión similar de este artículo apareció en el 04 2012 cuestión de la Ingeniería Electrónica revista.

Introducción

Cuando la electricidad se adaptó primero para usos prácticos, los científicos se dieron cuenta rápidamente que la seguridad era esencial para el éxito de aprovechar esta forma de energía. La medida de seguridad más obvia es que se mantenga alejado de tensiones peligrosas. Si esto no puede evitarse, los usuarios deben mantener el "alambre vivo" aislado de otros objetos. Con el tiempo, las medidas de seguridad más sofisticados evolucionado, el más importante de los cuales es el aislamiento galvánico: una barrera de aislamiento que separa las secciones funcionales de los sistemas eléctricos, pero permite el libre flujo de energía y de datos. En caso de mal funcionamiento del equipo, aislamiento galvánico protege a los usuarios de los peligros eléctricos, y, al mismo tiempo, protege al equipo de los lazos de tierra, el ruido eléctrico del medio ambiente, y descargas estáticas. Esto es de particular importancia para el equipo médico, que debe cumplir la norma IEC 60601 de normas técnicas para proteger a los pacientes, operadores y sus alrededores ¹. Debido a su sencillez, 1-Wire dispositivos se han convertido cada vez más popular en el campo de la medicina, donde se proporcionan los datos de calibración y la autenticación de los sensores y consumibles ².

Típicos 1-Wire circuitos maestros

Hay varias formas para construir un maestro 1-Wire. Es muy adecuada para el aislamiento son circuitos que se conectan a los puertos unidireccionales de un microcontrolador o matriz de puertas programable en el campo (FPGA) que funciona como un procesador host. El accesorio puede ser tan simple como un transistor con una resistencia pullup o un convertidor de protocolo monolítico. Aunque muy popular y rentable para las aplicaciones integradas, los circuitos que se conectan a los puertos bidireccionales son menos deseables cuando el aislamiento es necesario.Adición de aislamiento requiere el bus bidireccional que se divide en un adelante y un camino hacia atrás. Para evitar que el camino hacia atrás desde el enganche del camino a seguir cuando el esclavo responde con un cero, uno o bien tiene que aceptar un fallo en el host o introducir un segundo nivel bajo, que es lo suficientemente bajo como para el anfitrión, pero demasiado alta para causar retención

.

Los circuitos analizados en esta sección están diseñados para aisladores, con entradas y salidas digitales, como es típico de los productos aislantes más recientes. La entrada de bajo costo optoaisladores es generalmente el cátodo de un diodo emisor de luz (LED) con el colector abierto de un funcionamiento de transistor como una salida. Para trabajar con bajo coste optoaisladores, los circuitos deben ser modificados en consecuencia (por ejemplo, mediante la inserción de una resistencia limitadora de corriente en el camino de entrada y la realización de acondicionamiento de señal en la salida con un disparador de Schmitt / inversor).

Circuitos para los puertos unidireccionales

El circuito de la Figura 1 es un accesorio puerto pasador simple a un microcontrolador o FPGA como procesador host. Aisladores U1 y U2 son añadidos. U1 aísla el camino hacia delante y hacia atrás el camino. U2, si está instalado, permite la activación de Q2 para la entrega de potencia extra ("pull-up fuerte") al esclavo 1-Wire. A menos que el aislador añade un retardo de 100 ns o más, este circuito funciona para 1-Wire estándar y sobremarcha velocidades.

Figura 1. Un aislado 1-Wire, maestro de circuito con un microcontrolador o FPGA como procesador principal.

El circuito de la Figura 2 utiliza un sistema integrado de TX / RX convertidor de protocolo. Aislador U1, que aísla el camino a seguir y el camino hacia atrás, se añade. Todas las operaciones de tiempo crítico son controlados por unaserie de 1-alambre conductor línea como la DS2480B , que está limitada a una velocidad máxima de datos de 115.2Kbps (8.68μs/bit). En consecuencia, el retardo de la señal añadida por el aislador no es crítica siempre que no exceda de 1μs, independientemente de la velocidad 1-Wire. Algunos de los costos de la DS2480B se puede recuperar la hora de elegir un optoaislador de bajo costo para U1 y modificar el circuito en consecuencia.

Figura 2. Un aislado 1-Wire de circuito principal con un convertidor de TX / RX de protocolo.

Circuitos para los puertos bidireccionales

El circuito de la Figura 3 es un accesorio puerto pasador simple a un microcontrolador o FPGA como procesador host. En contraste con la Figura 1 , el puerto de comunicación es bidireccional. Aisladores U1 y U2, U3 bus intermedio, abierto de drenaje U4 conductor, y la resistencias R2, R3 y R4 se agregan. La parte inferior de U3 se divide la ruta de datos bidireccional de PIOA en el camino hacia delante (TY de U3 a IN de U1) y el camino hacia atrás (OUT de U1 a RY de U3). El U4 conductor no inversor se une a la ruta de avance y retroceso a la bidireccional bus 1-Wire. La parte superior de U3 (SX a TX) se conecta a la entrada PIOB de U2 (adelante ruta). El camino hacia atrás (RX SX) no se utiliza. U2, si está instalado, permite la activación de Q2 para la entrega de potencia extra ("pull-up fuerte") al esclavo 1-Wire. Tenga en cuenta que el buffer de bus U3 presenta un retraso significativo de ida y vuelta (2 x ~ 250ns). Aunque esto es tolerable en el estándar de velocidad 1-Wire, se recomienda precaución a la velocidad de marcha. El P82B96 está diseñado para aplicaciones de I ² C. El voltaje en el lado de los niveles de acogida (SY, PIOA) son compatibles con los dispositivos de I ² C, pero el bajo nivel es demasiado alto para los esclavos 1-Wire y másters integrados 1-Wire. Antes de considerar este circuito, comprobar si el V _OLMAX al SY es compatible con V_ILMAX en PIOA. El PCA9600 es una actualización de la P82B96, tiene la mitad del retardo de propagación y un reducido ligeramente V _OLMAX . nivel, pero consume más energía en general, el circuito en la figura 4 es una mejor alternativa.

Figura 3. Un aislado 1-Wire de circuito principal con un puerto host procesador bidireccional.

El circuito de la Figura 4 utiliza un sistema integrado de I ² C para 1-Wire convertidor de protocolo. Aisladores U1 y U2, bus intermedio U3, U4 abrir el desagüe del conductor, y las resistencias R1, R2, y se añaden RP3. La parte inferior de U3 divide la bidireccional SDA camino en el camino hacia delante (TY de U3 a IN de U1) y el camino hacia atrás (OUT de U1 a RY de U3). El U4 conductor no inversor se une a la ruta de avance y retroceso a la SDA bidireccional aislado. Dado que el maestro 1-Wire U5 no usa reloj de estiramiento, el SCL camino (SX a TX de U3 y al IN de U2) es unidireccional. Por lo tanto, es permisible para conectar el push-pull de salida de U2 directamente a SCL del convertidor de protocolo. Todas las operaciones de tiempo crítico son controlados por el maestro 1-Wire, que soporta velocidades de reloj I ² C de hasta 400kHz. En consecuencia, el retardo de la señal añadida por el buffer de bus y aislador no es crítico. Dado que el buffer de bus ya suma 2 x ~ 250ns, el aislador tiene que ser bastante rápido, por ejemplo, máxima, 50ns por dirección. Debido a la demanda popular, I ² C módulos están disponibles que combinan el buffer de bus, aisladores, y el conductor en un solo SOIC paquete.

Figura 4. Un aislado 1-Wire de circuito principal con un I ² C convertidor de protocolo.

Tecnologías de aislamiento

El dispositivo de aislamiento clásico es el del transformador , que todavía se utiliza en las fuentes de alimentación.Transformers funcionan bien en un rango de frecuencia bastante limitado. Ellos no pueden manejar frecuencias muy bajas, ya que se necesitan en los sistemas de control. A principios optoaisladores, construido a partir de una fuente de luz tan simple como una bombilla de una linterna y una resistencia dependiente de la luz (LDR) llena este vacío.Con la llegada de los LEDs en la década de 1970, una nueva generación y la más rápida de optoaisladores supo que trabajó desde DC hasta varios miles de pulsos por segundo. El progreso técnico, desde entonces ha mejorado optoaisladores, que ahora puede manejar velocidades de datos de más de 10 millones de bits por segundo. La miniaturización de los transformadores hasta el nivel de chip y el descubrimiento del efecto de magnetorresistencia gigante (GMR) han dado lugar a nuevos tipos de aisladores que son aún más rápido. Acoplamiento capacitivo, que no era factible en los primeros días, se está usando ahora en un nuevo tipo de aisladores que contiene una de RF del transmisor y el receptor en un paquete de SOIC pequeño.

En la discusión que sigue, para cada tecnología, un proveedor importante fue identificado. Donde sea posible, este artículo identifica un único y un dispositivo de doble canal para el aislamiento de 2,5 kV que es adecuado para la velocidad de sobremarcha 1-Wire de cada proveedor. La información se recogió en agosto de 2011 a partir de datos del fabricante y hojas de notas de aplicación. Además de los desafíos técnicos, todo lo que afecta a las necesidades de seguridad para cumplir con las regulaciones específicas de cada país. La Guía de Avago Reguladora de aislamiento Circuitos ³ es una excelente introducción a la materia. Todas las hojas de datos de aisladores de la lista de certificados con los que los productos cumplan.

Un término que es frecuentemente-pero no siempre-se encuentra en conjunción con la seguridad es "a prueba de fallos". En relación con los dispositivos aislantes, la comprensión general es que "a prueba de fallos" se refiere al estado de la salida del aislador de si la entrada del aislador no tiene ningún poder. Es importante revisar la ficha técnica del producto para obtener más información y para verificar el comportamiento del circuito con las muestras.Productos del mismo fabricante puede exhibir un comportamiento diferente. En algunos casos, se puede elegir entre las partes que, sin energía eléctrica en el lado de entrada, tienen la salida de alta o baja, dependiendo de lo que funciona mejor en la aplicación.

Optoisolation (Avago Technologies)

Optoisolators basado en LEDs y fototransistores dominó el mercado hasta la década de 2000, cuando se introdujeron tecnologías de la competencia. La Tabla 1 muestra los parámetros característicos de la optoaislador ACPL-072L de Avago (antigua Agilent, una impresora Hewlett-Packard spin off). Aunque no hay una abundante variedad de optoaisladores disponibles incluidos los de otros fabricantes, hay muy pocos optoaisladores con una entrada lógica verdadera y salida digital, según sea necesario para encajar en los esquemas previstos en las figuras 1 a 4 del presente artículo.

Basado en su modo de operación, no es sorprendente que la corriente consumida por los LED depende del estado lógico. Desde la salida de luz de un LED se deteriora con el tiempo, el estado de reposo debe ser elegido con el apagado del LED, lo que minimiza el consumo de corriente y maximiza el tiempo de vida. En comparación con otras tecnologías, optoaisladores requieren una corriente de operación bastante alto.

Tabla 1. Características OPTOISOLATOR
	Parámetro	De un canal ACPL-072L
Seguridad	Tensión de aislamiento mínima	3750 V RMS
	Tensión mínima transitoria (inmunidad)	10kV/μs
	Certificados	UL1577, CSA # 5, IEC / EN 60747-5-2
	Inmunidad	Insensible a las señales externas de CC, campo de corriente alterna magnética
Rendimiento	Velocidad de datos máxima	25 Mbps
	Retardo de propagación máxima	40ns
	Máximo ancho de pulso de la distorsión	6ns
	Tensión (± 10%)	3.3V, 5.0V
	Máximo reposo actual	Baja de entrada: 15mA/10mA  de entrada de alta: 5mA/10mA
	Corriente	-
	Encendido comportamiento	Salida correcta garantizada por concepto de
	DC corrección	Asegurado por concepto de

Fuente: ACPL-072L hoja de datos (edición de enero 2010).

Chip Scale Transformador (Analog Devices)

En 2001, Analog Devices presentó el i acoplador ® dispositivo, un aislador que se basa en un chip de microtransformer escala integrada en un semiconductor de sustrato. Transiciones lógicas a la causa de entrada estrecha (~ 1 ns) pulsos de corriente que se envían a un decodificador a través del transformador. El decodificador biestable o bien se activa o desactiva mediante los impulsos, lo que indica las transiciones de entrada lógica. En ausencia de transiciones lógicas de más de ~ 1μs en la entrada, el estado de salida correcto se logra mediante un conjunto de impulsos periódicos de actualización que indiquen el estado de entrada.

La Tabla 2 muestra los parámetros característicos de la ADuM3100A y la ADuM3201B. El consumo de corriente es mucho menor que con optoaisladores y no dependen del estado lógico de la entrada. Algunos dispositivos iCoupler incluir un convertidor CC-CC ( iso Power ® tecnología) para proporcionar alimentación aislada al otro lado.Particularmente conveniente son los módulos de I ² C ADuM1250 y ADuM1251, que se incorporan U1, U2, U3 y U4 de la Figura 4 en un solo paquete.

Tabla 2. A escala de chip-transformador ( i acoplador) Características
	Parámetro	De un canal ADuM3100A	Dual-Channel ADuM3201B
Seguridad	Tensión de aislamiento	2500V RMS	2500V RMS
	Tensión mínima transitoria (inmunidad)	25kV/μs	25kV/μs
	Certificados	UL1577, CSA # 5, VDE V 0884-10	UL1577, CSA # 5, VDE V 0884-10
	Inmunidad	Insensible a las señales externas de campo magnético de corriente continua. Para campo de corriente alterna magnética, ver hoja de datos.	Insensible a las señales externas de campo magnético de corriente continua. Para campo de corriente alterna magnética, ver hoja de datos.
Rendimiento	Velocidad de datos máxima	25 Mbps	10 Mbps
	Retardo de propagación máxima	28ns a 3.3V, 5.0V menos en	60ns a 3.3V, 5.0V menos en
	Máximo ancho de pulso de la distorsión	3ns a 3.3V, 5.0V menos en	4ns
	Tensión (± 10%)	3.3V, 5.0V	3.3V, 5.0V
	Máxima corriente de reposo	1.8mA/0.25mA a 5.0V, 3.3V menos en	1.4mA/1.4mA a 5.0V, 3.3V menos en
	Corriente	4.5mA/1.1mA a 25 Mbps y 5,0 V, menos a 3,3 V	1.5mA/1.8mA a 2 Mbps y 5,0 V, 3,3 V menos en
	Encendido comportamiento	Salida correcta garantizada dentro de 1μs	Salida correcta garantizada dentro de 1μs
	DC corrección	Se aseguró por su diseño	Se aseguró por su diseño

Fuente: ADuM3100A la hoja de datos (junio de 2007 edición) y ADuM3201B la hoja de datos (noviembre de la edición 2011).

Tecnología MAGNETO gigante (NVE Corporation)

En 2002, NVE Corporation presentó el IsoLoop ® aislador digital. El lado de entrada se ve igual que con la i acoplador, pero el lado del receptor es diferente. Transiciones lógicas en la entrada son convertidos en estrechos (~ 2.5NS) impulsos de corriente a través de una bobina planar, creando un campo magnético alrededor del puente de Wheatstone RMG. Dependiendo de la dirección del campo magnético, el puente hace que la salida del comparadorpara cambiar de acuerdo con el cambio de la señal de entrada. Un reloj interno de actualización se asegura la sincronización de entrada y de salida dentro de 9μs de la tensión de alimentación de cruzar el umbral de encendido.Serie de Avago HCPL-90xx/09xx utiliza la misma tecnología.

Tabla 3 muestra los parámetros característicos del IL510 y IL514. El consumo de corriente es comparable a los productos de transformadores de chip escala. Los aisladores de la serie IL51x no debe ser confundido con el producto de la serie más IL71x, que no tienen la función interna de actualización.

Aislamiento Capacitivo (Silicon Laboratories)

El ISOPRO digital de aisladores de Silicon Laboratories son muy similares a optoaisladores. En lugar de la luz, que utilizan una portadora de RF que está encendido o apagado, dependiendo de la señal de entrada. Cuando el estado de entrada es alta, el transmisor genera una portadora de RF que se propaga a través de la barrera de aislamiento capacitivo al receptor. El receptor afirma lógico alto en su salida si es suficiente en la banda portadora se detecta la energía. Cuando el estado de entrada es baja, el transmisor está desactivado, y ninguna compañía está presente. El receptor, por lo tanto, detecta que no hay energía portadora en banda y conduce la salida baja.

Cuadro 4 muestra los parámetros característicos de la Si8410AB y Si8422AB el. El consumo de corriente es muy baja, pero-como ocurre con optoaisladores-depende del estado de la señal de entrada. El estado de salida por defecto (cuando el lado de la entrada no tiene el poder) es una u otra opción fija (alta o baja) o un pedido. Particularmente conveniente son los módulos de I ² C Si8400AB y Si8401AB, que se unen U1, U2, U3 y U4 de la Figura 4 en un solo paquete.

Tabla 3. Magnetorresistencia gigante Tecnología (IsoLoop) Características
	Parámetro	De un canal IL510	Dual-Channel IL514 *
Seguridad	Tensión de aislamiento	2500V RMS	2500V RMS
	Tensión mínima transitoria (inmunidad)	20kV/μs	20kV/μs
	Certificados	UL1577, IEC 61010	UL1577, IEC 61010
	Inmunidad	Depende de la tensión de funcionamiento, la frecuencia y dirección del campo, ver hoja de datos.	Depende de la tensión de funcionamiento, la frecuencia y dirección del campo, ver hoja de datos.
Rendimiento	Velocidad de datos máxima	2Mbps	2Mbps
	Retardo de propagación máxima	25ns	25ns
	Máximo ancho de pulso de la distorsión	10ns	10ns
	Tensión (± 10%)	3.3V, 5.0V	3.3V, 5.0V
	Máxima corriente de reposo	0.04mA/3mA a 5.0V, 3.3V menos en	3mA/6mA a 5.0V, 3.3V menos en
	Corriente	Varía con la velocidad de datos, los detalles no especificados.	Varía con la velocidad de datos, los detalles no especificados.
	Encendido comportamiento	Salida correcta garantizada dentro de 9μs	Salida correcta garantizada dentro de 9μs
	DC corrección	Se aseguró por su diseño	Se aseguró por su diseño

* El IL514 incluye 3 canales, dos hacia delante y atrás uno. 
Fuente: IL510 y IL514 hojas de datos (junio de 2011 ediciones).

Tabla 4. CMOS Digital Isolator (ISOPRO) Características
	Parámetro	De un canal Si8410AB	Dual-Channel Si8422AB
Seguridad	Tensión de aislamiento	2500V RMS	2500V RMS
	Tensión transitoria (inmunidad)	25kV/μs (típico)	20kV/μs (min.)
	Certificados	UL1577, CSA # 5, IEC 60747-5-2	UL1577, CSA # 5, IEC 60747-5-2
	Inmunidad	Inmunidad electromagnética de alta	Inmunidad electromagnética de alta
Rendimiento	Velocidad de datos máxima	1Mbps	1Mbps
	Retardo de propagación máxima	35ns	35ns
	Máximo ancho de pulso de la distorsión	25ns	25ns
	Tensión (± 10%)	3.3V, 5.0V	3.3V, 5.0V
	Máxima corriente de reposo	2.7mA/1.2mA	5.6mA/5.6mA
	Corriente	2.0mA/1.4mA (máximo) a 1 Mbps	4.2mA/4.2mA (máximo) a 1 Mbps
	Encendido comportamiento	Salida correcta garantizada dentro de 40μs	Salida correcta garantizada dentro de 40μs
	DC corrección	Se aseguró por su diseño	Se aseguró por su diseño

Fuente: Si8410AB la hoja de datos (diciembre de 2011 edición) y Si8422AB la hoja de datos (agosto de la edición 2011).

Aislamiento Capacitivo (Texas Instruments)

En contraste con Silicon Laboratories, los aisladores digital de Texas Instruments utilizar una topología de 2-ruta para transmitir la señal de entrada a través de RF para el lado de salida, el tratamiento de señales lentos y rápidos de forma diferente. La ruta de señal rápido no se codifica y transmite datos transiciones través de la barrera después de un solo extremo-a-diferencial de conversión. La trayectoria de la señal lenta primero codifica los datos en un pulso de anchura modulada ( PWM ) y el formato transmite entonces diferencialmente, asegurando la comunicación precisa de las condiciones de estado estacionario. En el otro lado de la barrera de aislamiento, diferenciales comparadores recibir la información de la transición lógica, a continuación, establecer o restablecer un flip-flop y el circuito de salida en consecuencia. Un pulso de actualización periódica se envía a través de la barrera para garantizar el nivel adecuado de CC de la salida. Si este pulso de CC-refresco no es recibido por más de 4μs, la entrada se supone que es sin motor o no siendo impulsado de forma activa, y el circuito de prueba de fallos impulsa la salida al estado predeterminado.

Tabla 5 muestra los parámetros característicos de la ISO721 y la ISO7221C. La corriente de operación es bastante alto, comparable a optoaisladores, pero independiente del estado de entrada. El estado de salida por defecto (cuando la entrada no tiene el poder) es alto.

Tabla 5. Características Digital Isolator
	Parámetro	De un canal ISO721	Dual-Channel ISO7221C
Seguridad	Tensión de aislamiento	2500V RMS	2500V RMS
	Tensión mínima transitoria (inmunidad)	25kV/μs (típico)	25kV/μs (min.)
	Certificados	UL1577, CSA # 5, IEC 60747-5-2	UL1577, CSA # 5, IEC 60747-5-2
	Inmunidad	Inmunidad electromagnética de alta	Inmunidad electromagnética de alta
Rendimiento	Velocidad de datos máxima	100 Mbps	25 Mbps
	Retardo de propagación máxima	30ns a 3.3V, 5V menos en	52ns a 3.3V, 5V menos en
	Máximo ancho de pulso de la distorsión	3ns a 3.3V, 5V menos en	3ns a 3.3V, 5V menos en
	Tensión (± 10%)	3.3V, 5.0V	3.3V, 5.0V
	Máxima corriente de reposo	1mA/12mA a 5V, 3.3V menos en	17mA/17mA a 5V, 3.3V menos en
	Corriente	4mA/14mA (máx.) a 25 Mbps y 5V, 3.3V menos en	22mA/22mA (máx.) a 25 Mbps y 5V, 3.3V menos en
	Encendido comportamiento	No especificado	No especificado
	DC corrección	Se aseguró por su diseño	Se aseguró por su diseño

Fuente: ISO721 hoja de datos (edición de diciembre 2011) y la hoja de datos ISO7221C (septiembre de 2011 Edición).

Conclusión

En este artículo se describe la topología de los circuitos maestros de 1-Wire con aislamiento galvánico con aisladores digitales de varios fabricantes. Lo más conveniente para el aislamiento son los procesadores del host que utilizan puertos diferentes, unidireccionales de comunicación 1-Wire. Las señales de comunicación 1-Wire se pueden crear directamente bajo el control del software oa través de un chip convertidor RX/TX-to-1-Wire. Puertos bidireccionales requieren dividir la señal en un camino hacia delante y hacia atrás que se encamina a través de aisladores separado.Gracias a un solo paquete de I ² C módulos de aislamiento y de I ² C-a-1-Wire chips de convertidor de protocolo, un procesador host con el puerto I ² C es una alternativa viable.

Referencias

1. ¿Has estado, YS, Khan, JN, y Hui DCP "El diseño de los dispositivos médicos para el aislamiento y la seguridad", EDN, 24 de mayo de 2007, 20ARTICLE.pdf www.internationalcoil.com/Pictures/IEC60601-1% .
2. Nota de aplicación 4702, " Fácil de añadir memoria, Seguridad, Vigilancia y Control de sensores médicos y materiales de consumo . "
3. "Guía de Avago Reguladora de circuitos de aislamiento", www.avagotech.com/docs/AV02-2041EN , edición 2010.

1-Wire es una marca registrada de Cypress Semiconductor, Inc. iCoupler es una marca registrada de Analog Devices, Inc. IsoLoop es una marca registrada de la Corporación NVE.