Conectarea unei unelte de dezvoltare, laptop și a altor dispozitive la hardware-ul electronic pentru testare și depanare este riscantă. Deși conexiunile directe prin UART, SPI, I2C și alte magistrale de comunicație sunt necesare pentru a monitoriza cum se comportă sistemul, se întâmplă de multe ori ca hardware-ul în curs de dezvoltare să se defecteze. Acesta poate trimite impulsuri nedorite de tensiune și curent prin acele interfețe putând deteriora dispozitivele și laptopurile conectate.
Aceste dispozitive au de obicei un cost ridicat. Mai mult, Legea lui Murphy afirmă că partea hardware și dispozitivele se vor defecta în cel mai rău moment posibil. Rezultatul va fi un proiect întârziat plus cheltuieli suplimentare pentru a repune stația de lucru în funcțiune.
Acest articol descrie modul prin care dezvoltatorii își pot proteja investițiile în dispozitive, folosind interfețe economice bazate pe circuite integrate de izolare, care pot fi montate în mai puțin de 30 de minute. De asemenea, se va aborda și modul în care acești izolatori pot fi selectați și se vor oferi câteva sfaturi și trucuri pentru a vă asigura că atunci când hardware-ul nu merge bine, instrumentele de dezvoltare și laptopurile să fie protejate.
Considerații pentru selectarea unui izolator
Un izolator împarte un circuit în două circuite, separate printr-o barieră de izolare. Circuitele de fiecare parte a barierei sunt alimentate și împământate separat. Bariera acționează ca un filtru, care blochează tensiunile mari și tranzitorii, permițând doar transmiterea de informații sau date digitale dintr-o parte în cealaltă printr-un dispozitiv de cuplare. Acesta este de obicei capacitiv, magnetic sau optic.
În multe cazuri, dezvoltatorul va constata că pentru orice interfață pe care ar dori să o folosească pentru protecție, va avea la dispoziție mai multe opțiuni. De exemplu, izolatoarele I2C sunt adesea oferite în două variante: capacitivă și magnetică. Înainte de a face o alegere asupra tehnologiei de izolare, trebuie să înțelegem mediul în care lucrăm.
Cuplarea capacitivă folosește un câmp electric variabil pentru a transmite date peste bariera de izolare, ceea ce o face o alegere excelentă în aplicațiile unde pot exista câmpuri magnetice intense. Dispozitivul de cuplare capacitiv tinde, de asemenea, să conducă la o dimensiune pe placă mai mică și la o operare mai eficientă din punct de vedere energetic, ambele fiind foarte importante pentru multe aplicații. Totuși, este important de menționat că mecanismul de cuplare capacitiv are uneori probleme cu zgomotul din cauza unei căi de semnal partajate.
Cuplarea magnetică folosește câmpurile magnetice variabile pentru a transmite date peste bariera de izolare, ceea ce o face o alegere excelentă în aplicațiile unde pot exista câmpuri electrice intense. Cuplarea magnetică utilizează adesea mici transformatoare, care ajută la eliminarea zgomotului și la un transfer de energie extrem de eficient peste barieră.
Cuplarea optică folosește impulsuri optice pentru a transmite lumina peste o barieră non-conductivă, ceea ce o face potrivită pentru medii electrice și magnetice zgomotoase. Spre deosebire de semnalele transmise prin metodele magnetice și capacitive, cuplarea optică poate transmite semnale stabilizate peste barieră. Dezavantajele folosirii optocuploarelor sunt că pot fi limitate de viteză și necesită mai multă putere pentru a funcționa.
Având în vedere aceste tehnologii diferite și caracteristicile lor, următorul pas este să examinăm diverse și diferite protocoale de comunicație pe magistrale și să aflăm cum trebuie izolate echipamentele de dezvoltare pe diferitele interfețe.
Figura 1: ADUM3211 este un izolator cuplat magnetic cu două canale de uz general, care poate opera până la 1000 kbps. (Sursa imaginii: Analog Devices)
Selectarea unui izolator I2C
O modalitate excelentă pentru proiectanți să dezvolte drivere pentru dispozitive din afara microcontrolerului este să folosească un fel de unealtă de supraveghere a magistralei. Aceste instrumente permit unui proiectant să monitorizeze traficul pe magistrală. Un instrument de calitate, dar mai scump, va permite, de asemenea, dezvoltatorului să injecteze mesaje în magistrală.
Scurtă istorioară: am avut cândva un instrument mixt I2C/SPI conectat la magistrala I2C a unui client. Hardware-ul lor s-a defectat și a descărcat 42 de volți în magistrala I2C, distrugându-și hardware-ul și totodată și unealta mea de depanare. Dacă aș fi folosit un izolator I2C pentru a-mi proteja instrumentul, nu ar fi trebuit să cheltuiesc banii în plus pe un instrument nou și să plătesc și pentru transportul rapid.
Există mai multe caracteristici care ar trebui să fie analizate atunci când selectați un izolator I2C. În primul rând, izolarea tensiunii trebuie să fie de cel puțin 2500 volți rms. Acest nivel de izolare va proteja împotriva în cel puțin 90% din greșelile de dezvoltare embedded care pot apărea. În al doilea rând, ar trebui examinată viteza izolatorului de transmitere a datelor. Standard I2C operează la 100 kilobiți pe secundă (kbps) și 400 kbps. I2C de mare viteză operează la 1000 kbps. Instrumentul sau aplicația vor determina ce dispozitiv sau tehnologie de izolare este cea mai potrivită.
Figura 2: Izolatorul ISO1541DR I2C de la Texas Instruments conține două canale de izolare bidirecționale care pot opera până la 1000 kbps. (Sursa imaginii: Texas Instruments)
Există mai multe izolatoare I2C de uz general care funcționează bine pentru protejarea instrumentelor de dezvoltare. Pentru un izolator de uz general, ADUM3211ARZ-RL7 de la Analog Devices este o opțiune bună (figura 1).
ADUM3211 utilizează cuplare magnetică pentru a transfera date peste barieră la viteze de transfer de până la 1000 kbps. Prin urmare, acest izolator poate lucra cu interfețe I2C de mare viteză, dar nu conține o barieră bidirecțională. Aceasta înseamnă că instrumentul de dezvoltare poate monitoriza traficul magistralei, dar nu poate scrie pe magistrală, ceea ce este mulțumitor pentru majoritatea aplicațiilor.
Pentru a proteja instrumentele de dezvoltare care trebuie să monitorizeze și să injecteze date în magistrală, izolatorul I2C ISO1541DR de la Texas Instruments este o alegere excelentă (figura 2). ISO1541, disponibil într-o capsulă SOIC-8, folosește cuplarea capacitivă pentru a transmite date bidirecționale până la 1000 kbps. Izolatorul conține două canale de izolare separate: unul pentru semnalul de date (SDA) și unul pentru semnalul de ceas (SCL).
Observați din figurile 1 și 2 că aceste dispozitive necesită ca alimentarea izolatorului să se facă independent pentru ambele părți, astfel încât fiecare echipament conectat la izolator alimentează o parte. Omiterea alimentării așa cum s-a menționat mai sus, duce la lipsa de comunicație peste barieră, așadar, aveți grijă ca în timpul instalării să asigurați alimentarea ambelor părți ale izolatorului!
Figura 3: ADUM3154 este un izolator SPI pe patru canale de la Analog Devices, care poate gestiona viteze de transfer de date de până la 17 Mbps. (Sursa imaginii: Analog Devices)
Alegerea unui izolator SPI
Interfața serială SPI poate fi puțin mai dificil de protejat decât magistrala I2C. Magistrala I2C conține doar două linii de comunicații, indiferent de câte dispozitive sunt conectate la ea. Magistrala SPI, pe de altă parte, conține trei linii de date pentru master out, master in și ceas. În plus față de aceste trei linii, fiecare dispozitiv conectat la magistrala SPI necesită o linie de selecție slave. Este imperativ ca orice izolator SPI să conțină și câteva linii de izolare pentru liniile de selecție slave.
Figura 4: ADUM3151 este un izolator SPI cu șapte canale de la Analog Devices, care poate gestiona viteze de transfer de date de până la 34 Mbps. (Sursa imaginii: Analog Devices)
Există mai multe și felurite opțiuni care se potrivesc pentru protejarea unui instrument de dezvoltare SPI. Prima este izolatorul SPI ADUM3154 de la Analog Devices. ADUM3154 folosește cuplarea magnetică pentru a transmite date peste bariera izolatoare la viteze de transfer de până la 17 megabiți pe secundă (Mbps). Acesta acoperă nu numai viteza maximă de transfer pentru majoritatea perifericelor unui microcontroler, de 4 Mbps, dar și viteze de transfer care sunt comune pentru controlerelele de memorie. ADUM3154 suportă, de asemenea, până la patru selecții izolate de dispozitive slave (Figura 3).
În cazurile în care viteza de 17 Mbps nu este satisfăcătoare, Analog Devices oferă și izolatorul ADUM3151BRSZ-RL7 (Figura 4).
ADUM3151 folosește și cuplare magnetică și poate gestiona viteze de transfer de date de până la 34 Mbps. De asemenea, are patru canale care pot fi utilizate pentru selecțiile de dispozitive slave.
Selectarea unui izolator SWD (Serial Wire Debug)
Unul dintre cele mai scumpe echipamente de dezvoltare pe care ar trebui să le aibe un inginer software, este un dispozitiv de depanare. Unul bun poate costa peste câteva mii de dolari. Sunt șanse mici să apară ceva care să funcționeze greșit pe liniile de programare, dar nu merită riscat.
Figura 5: Izolatorul J-Link SWD de la SEGGER Microcontroller Systems dispune de o izolare de 1000 volți între un depanator și sistemul țintă. (Sursa imaginii: SEGGER Microcontroller Systems)
Un dezvoltator ar putea să-și proiecteze propria soluție de izolare pentru a proteja toate liniile SWD, dar asta ar necesita timp și ar fi costisitor. În schimb, o soluție simplă este utilizarea izolatorului J-Link SWD de la SEGGER Microcontroller Systems (figura 5).
Selectarea și realizarea unui izolator UART
Mulți dezvoltatori ar putea considera că izolarea unei conexiuni de tip UART este o pierdere de timp și bani. La urma urmei, un instrument ieftin, precum modulul de conversie USB-Serial BOB-12731 de la SparkFun Electronics ar putea fi înlocuit cu ușurință dacă i s-ar întâmpla ceva. Totuși, dacă ceva nu merge bine, s-ar putea ca de partea cealaltă să fie un echipament informatic de câteva mii de dolari care să necesite protecție. Timpul suplimentar și banii sunt două motive pentru care este necesară protecția dispozitivelor.
Plasarea unui circuit de protecție UART este simplă și pot fi urmați pași similari pentru a proteja și alte interfețe de magistrală. În primul rând, trebuie selectat un izolator. Izolatorul ADUM3211 despre care s-a menționat anterior este o opțiune excelentă, deoarece are două canale de izolare de mare viteză, situate în direcții opuse. Acest lucru se potrivește perfect pentru liniile Tx/Rx ale unui UART, care se află adesea una lângă cealaltă.
Odată ce izolatorul este selectat, un dezvoltator poate cumpăra o placă de dezvoltare precum LCQT-SOIC8-8 de la Aries Electronics (figura 6). Aceasta include și pini de conectare și poate fi ușor lipită pe modulul de conversie BOB-12731.
Figura 6: Aries Electronics LCQT-SOIC8-8 asigură o întrerupere pentru un cip SOIC-8 care are deja jumperi pe placă pentru a face o conexiune rapidă cu un dispozitiv țintă. (Sursa imaginii: Aries Electronics)
Figura 7: Circuit izolator UART asamblat care a fost conectat la convertorul USB-Serial, oferind o comunicare izolată personalizată cu dispozitivul țintă. (Sursa imaginii: Beningo Embedded Group)
La lipirea izolatorului pe placă și apoi la adaptorul UART, este important să vă asigurați că pinii de tensiune și de masă se aliniază corect. Dacă nu, izolatorul nu va fi alimentat. De asemenea, este important să vă asigurați că direcția canalului izolatorului este în direcția corectă. Dacă placa de întrerupere sau izolatorul nu se aliniază corect, poate fi necesară personalizarea unei alte plăci (Figura 7).
Odată asamblat, convertorul USB-Serial furnizează energie pentru o parte a izolatorului, în timp ce dispozitivul țintă va furniza energie către cealaltă zonă de circuit. Rezultatul este un dispozitiv UART bidirecțional izolat care este protejat pentru până la 2500 volți.
Sfaturi și trucuri pentru izolarea uneltelor de dezvoltare
Există multe tehnici și dispozitive de izolare care pot fi utilizate pentru a proteja uneltele de dezvoltare. Iată câteva sfaturi și trucuri pentru a proteja aceste investiții:
- Verificați fișa tehnică și asigurați-vă că specificația de izolare a tensiunii corespunde nevoilor voastre.
- Familiarizați-vă cu diferitele mecanisme de izolare și asigurați-vă că selectați tehnologia potrivită pentru aplicație.
- Izolați orice magistrală sau interfață care se conectează înapoi la portul USB de pe un laptop, deoarece este o cale de descărcare a potențialului electric.
- Profitați de existența unor kituri de dezvoltare pentru izolatorul selectat sau utilizați plăci de dezvoltare pentru a simplifica costurile și timpul.
- Protejați depanatorul profesional utilizând un izolator SWD.
Concluzii
Mulți dezvoltatori de sisteme embedded nu se gândesc nicio clipă la problemele de conectare a unei unelte de dezvoltare la o componentă hardware ce trebuie testată. În mod normal, nu vor fi probleme. Cu toate acestea, va veni un moment în care se va întâmpla ceva neașteptat și unealta de dezvoltare va fi expusă la tensiuni și curenți care depășesc specificațiile lor, rezultând daune. Pentru a evita o eventuală grabă de ultim moment în punerea în funcțiune a unei stații de lucru, este indicat să petreceți câteva ore pentru izolarea corespunzătoare a echipamentului folosit, utilizând numeroasele soluții de izolare disponibile pe piață, fapt ce duce la un proces de dezvoltare mai eficient și mai puțin costisitor.
Autor: Rich Miron – Inginer de aplicații
Rich Miron, Inginer de aplicații la Digi-Key Electronics, face parte din grupul de autori care crează articole tehnice (Technical Content Group) din 2007, având responsabilitatea principală de a scrie și edita articole, bloguri și module de instruire pentru cunoașterea produselor.
Înainte de Digi-Key, el a testat și calificat sisteme de control și instrumentare pentru submarine nucleare. Rich deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Stat din North Dakota din Fargo, ND.
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
