如何將開發工具與故障硬體隔離

將開發工具、筆記型電腦及其他資源連接到電子硬體進行測試與除錯會有風險。為了監控系統的行為，難免需要透過 UART、SPI、I²C 及其他匯流排進行直接連線，但許多時候開發中的硬體可能會發生故障。然後，這些硬體便會透過這些介面傳送非預期的電壓和電流，進而損壞開發工具與筆記型電腦。

這些工具往往都很昂貴。不僅如此，莫非定律還顯示，硬體與工具往往會在最糟糕情況下發生故障。結果將造成專案延宕，以及花費額外費用連夜送修工作台，以使其復原並繼續工作。

本文將討論開發人員如何使用採用低成本隔離 IC 的介面，保護所購買的工具。而這些隔離 IC 在 30 分鐘內即可構建完成。此外，本文還將討論如何選擇這些隔離器，同時提供幾個相關秘訣和訣竅，確保硬體出錯時，開發工具與筆記型電腦不會跟著出錯。

選擇隔離器的考量因素

隔離器將一個電路分成兩個電路，由隔離屏障加以隔離。屏障兩側的電路均獨立進行供電與接地。屏障充當阻隔高電壓與暫態的濾波器，僅讓數位資訊或數據藉由耦合機制從一側傳輸到另一側。耦合機制通常是電容性、磁性或光學性。

在許多情況下，讀者會發現對於想要保護的任何介面，都有數種選項可供選擇。舉例來說，I²C 隔離器通常以電容性與磁性兩種形式提供。在選擇使用何種技術之前，我們需要瞭解我們的工作環境。

電容性耦合採用變化的電場，讓數據穿越隔離屏障傳輸出去，因此在可能有密集磁場的應用中是個絕佳選擇。另外，電容性耦合往往能實現更小的板覆蓋區和更節能的作業，因此成為許多應用的絕佳選擇。不過，請務必注意，電容性耦合有時候會因共享訊號路徑而出現雜訊問題。

磁性耦合採用變化的磁場，讓數據穿越隔離屏障傳輸出去，因此在可能有密集電場的應用中是個絕佳選擇。磁性耦合往往使用小型變壓器，有助於抑制雜訊，並以較高的能效穿越屏障進行傳輸。

光學耦合採用光學脈衝，讓光線穿越非傳導屏障傳輸出去，使其成為嘈雜電磁環境的完美選擇。不同於磁性與電容耦合訊號，光學耦合可穿越屏障傳輸穩態訊號。使用光學耦合器的缺點是速度受限，且需要更多的電力。

在知道這些不同技術及其特性之後，下一步便是查看幾種不同的匯流排協定，並詳細瞭解如何在不同介面上隔離開發工具。

選擇 I²C 隔離器

開發人員若要開發微控制器以外的裝置驅動器，使用某種匯流排間諜工具是個好辦法，這些工具可讓開發人員監控匯流排流量。而較昂貴的優質工具還能讓開發人員將訊息注入匯流排。

小趣聞：有一次我將自己的 I²C/SPI 組合工具連接到客戶的 I²C 匯流排。客戶的硬體發生了故障，導致 I²C 匯流排兩端的電壓降低 42 V，結果不僅毀了這個硬體，還連帶毀了我的開發工具。如果我當時使用 I²C 隔離器來保護我的工具，我就不用額外花錢買新的工具，並支付加急運送費。

選擇 I²C 隔離器時，應查看幾個特性。首先，電壓隔離至少應為 2500 Vrms。這種等級的隔離可防止 90% 以上的嵌入式開發事故。其次，應檢視隔離器的數據傳輸率。標準 I²C 的工作速度是100 kbps 及 400 kbps；高速 I²C 的工作速度是 1000 kbps，而工具或應用將決定哪種隔離器和隔離器技術是最佳選擇。

有幾種不同的一般用途 I²C 隔離器可以有效地保護開發工具。對於一般用途隔離器，Analog Devices 的 ADUM3211ARZ-RL7 是個不錯的選項 (圖 1)。

圖 1：ADUM3211 是一般用途雙通道磁性耦合隔離器，工作速度可高達 1000 kbps。(圖片來源：Analog Devices)

ADUM3211 採用磁性耦合機制穿越屏障傳輸數據，速度可高達 1000 kbps。因此，這款隔離器可以處理高速 I²C，但是不含雙向屏障。這表示開發工具可以監控匯流排，但是無法寫入匯流排，這對多數應用來說都是夠用的。

若想保護需要在匯流排上監控並注入數據的開發工具，Texas Instruments 的 ISO1541DR I²C 隔離器是個絕佳的選擇 (圖 2)。ISO1541 在 SOIC-8 封裝內使用電容耦合機制，以高達 1000 kbps 的速度傳輸雙向數據。此隔離器內含兩個獨立的隔離通道：一個用於數據訊號 (SDA)，一個用於時脈訊號 (SCL)。

圖 2：Texas Instruments 的 ISO1541DR I²C 隔離器內含兩個雙向隔離通道，工作速度可高達 1000 kbps。(圖片來源：Texas Instruments)

請注意圖 1 和圖 2，這些元件要求工具側給隔離器的工具側提供電力，而目標側給目標側提供電力。忘記從各自獨立電源供應電力是屏障兩端缺乏通訊的常見原因，所以在安裝期間務必要注意，確保兩側都有電源。

選擇 SPI 隔離器

保護 SPI 匯流排可能比保護 I²C 匯流排更棘手一點。無論有多少裝置連接到 I²C 匯流排，該匯流排僅有兩條通訊線。而 SPI 匯流排有三條數據線，即主控輸出線、主控輸入線及時脈線。除了這三條，每個連接到 SPI 匯流排的裝置都需要一條從屬選擇線。因此任何 SPI 隔離器還必須為從屬選擇線預備幾條隔離線。

有幾個不同隔離器非常適合用於保護 SPI 開發工具。第一個是 Analog Devices 的 ADUM3154 SPI 隔離器。ADUM3154 採用磁性耦合機制穿越隔離屏障傳輸數據，速度可高達 17 Mbps。這個速度不僅涵蓋多數微控制器 SPI 週邊裝置的最大波特率 4 Mbps，而且涵蓋記憶體介面控制器常用的數據傳輸率。ADUM3154 還支援高達四個隔離的從屬選擇 (圖 3)。

圖 3：ADUM3154 是 Analog Devices 的四通道 SPI 隔離器，可處理高達 17 Mbps 的數據傳輸率。(圖片來源：Analog Devices)

若 17 Mbps 還不夠快，Analog Devices 還提供 ADUM3151BRSZ-RL7 (圖 4)。

圖 4：ADUM3151 是 Analog Devices 的七通道 SPI 隔離器，可處理高達 34 Mbps 的數據傳輸率。(圖片來源：Analog Devices)

ADUM3151 也採用磁性耦合機制，但能處理高達 34 Mbps 的數據傳輸率。另外，此裝置還有四個通道，可用於從屬選擇。

選擇序列線除錯 (SWD) 隔離器

在嵌入式軟體工程師所用的開發工具中，除錯探針通常是最昂貴的工具之一。要買到好的除錯探針，可能需要花費數千美元。雖然編程線路發生故障的機率很小，但還是不值得冒險。

開發人員可以開發自己的隔離解決方案來保護所有的 SWD 線路，但這麼做有點花時間，而且成本也高。而較為簡單的解決方案則是使用 SEGGER Microcontroller Systems 所推出的 J-Link SWD 隔離器 (圖 5)。

圖 5：SEGGER Microcontroller Systems 的 J-Link SWD 隔離器可在除錯編程器和目標系統之間提供 1000 V 的隔離。(圖片來源：SEGGER Microcontroller Systems)

J-Link SWD 可在模擬器與目標硬體之間提供 1000 V_DC 的隔離。

選擇並構建 UART 隔離器

許多開發人員可能會覺得，對小小的 UART 進行隔離既浪費時間，也浪費金錢。畢竟，像 SparkFun Electronics 的 BOB-12731 USB 到序列分接板這類低成本工具，即便發生什麼問題也可輕鬆更換。但是，如果真的發生問題，在另一側的電腦設備可是價值數千美元，應該要好好保護。因此多花點時間與金錢還是值得。

組合 UART 保護電路相當簡單，而且您可採用類似步驟保護其他的匯流排介面。首先需要選擇隔離器。先前討論的 ADUM3211 是個很好的選擇，因為此元件具有兩個方向相反的高速隔離通道。這樣的特性相當適合 UART 的 Tx/Rx 線路，這些線路通常彼此相鄰。

在選擇隔離器之後，開發人員可以選擇分接板，如 Aries Electronics 的 LCQT-SOIC8-8 (圖 6)。此分接板已經包含排針座，可輕鬆焊接到 BOB-12731 上。

圖 6：Aries Electronics 的 LCQT-SOIC8-8 為 SOIC-8 晶片提供分接板，而晶片的電路板上已經有跳接線，能夠與目標元件快速連接。(圖片來源：Aries Electronics)

將隔離器焊接到電路板，然後裝到 UART 配接器時，請務必確保接地引腳與電壓引腳正確對齊。若兩者未正確對齊，便無法對隔離器供電。此外，請務必確保隔離器的通道方向正確。若分接板或隔離器未正確對齊，可能需要量身打造分接板 (圖 7)。

圖 7：組裝好的 UART 隔離器電路接到 USB 轉 UART 轉換器後，可為目標裝置提供自訂的隔離通訊。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

組裝完成後，USB 轉 UART 轉換器會為隔離器的工具側供電，而目標元件則為目標側供電。結果可得到經過隔離的雙向 UART 工具，並可受到高達 2500 V 電壓的保護。

開發工具的隔離秘訣與訣竅

有許多技術和隔離介面可用來保護開發工具。以下提供一些保護這些投資的秘訣與訣竅：

• 查看規格書並確保電壓隔離規格滿足您的需求。
• 熟悉各種隔離機制，確保為應用選擇正確的技術。
• 隔離任何連回筆記型電腦 USB 埠的匯流排或介面，因為這是個可能會受到損害的接地路徑。
• 利用適合選定隔離器的現有開發套件或使用分接板，節省開發時間與成本。
• 使用 SWD 隔離器來保護專業的除錯器。

結論

許多嵌入式系統的開發人員會毫不猶豫地將昂貴的開發工具連接到正在進行測試的硬體，這通常不會有問題。但有時候會發生意外事件，使開發工具暴露在超出規格以外的電壓與電流，進而導致損壞。為了避免在最後一刻大費周章讓工作台恢復運作，應花幾小時的時間，使用市面上已有的多種隔離解決方案來適當隔離開發工具，可提升開發流程的效率並降低成本。