Für Anwendungen vom IIoT bis zum OP-Saal
Wie man bessere Kommunikationssysteme entwirft
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Digitale Gigabit-Isolierung
Weitere medizinische Ausrüstungen wie Beatmungsgeräte und Elektrokardiogramm-Monitore (EKG) stellen zur Unterstützung der Atmung und Überwachung eine direkte Verbindung zum Patienten her. Um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, sollte jede externe Verbindung von den medizinischen Ausrüstungen zu peripheren Geräten eine Sicherheitsbarriere für den Patientenschutz enthalten. Die galvanische Trennung eines Videoausgangs zu einem externen Display ist jedoch eine besondere Herausforderung. Die Bandbreitenanforderungen für standardisierte Schnittstellen zu Bildschirmen übertrifft bei Weitem das, was mit einer angemessenen Anzahl von Optokopplern oder Standard-Digitalisolatoren erreicht werden kann. Weitere Komplexität kommt hinzu, wenn man versucht, die gesamte Signalkette von der Videoschnittstelle zu isolieren. Das HDMI-1.3a-Protokoll enthält beispielsweise nicht nur TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling) für die Übertragung von Videodaten, sondern auch bidirektionale Steuersignale zum Austausch von Video/Format-Information, zur Stromversorgung und zur Erkennung der Verbindung oder Trennung von Anzeigegeräten (als Senken, gemäß HDMI-1.3a-Spezifikation). All dies ist zu berücksichtigen, wenn man eine galvanische Trennung einfügt. Analog Devices bietet ein Referenzdesign für die galvanische Trennung verbreiteter Videoprotokolle wie HDMI 1.3a an, das zusätzliche Sicherheit ermöglicht, wenn entsprechender Patientenschutz gefordert ist.
Die digitalen LVDS-Isolatoren der Familie ADN4654 von Analog Devices sind eine neue Option für Systementwickler, die eine Kombination von hoher Bandbreite mit bewährter Sicherheit für Video- und Kameraanwendungen benötigen. Die Bausteine haben zwei isolierte Kanäle mit Datenraten von bis zu 1,1 Gbit/s pro Kanal. Mit einem Gesamtdatendurchsatz von 2,2 Gbit/s in einem 20-poligen SSOP-Gehäuse lassen sich im Vergleich zu Lösungen, die auf herkömmlichen digitalen Isolatoren beruhen, erhebliche Platzeinsparungen erzielen.
Zeigen lässt sich dies anhand einer Videoverbindung, die bei 60 Hz 24 bit Farbinformation mit einer Auflösung von 1920 × 1080 Bildpunkten überträgt. Um die nötige Information über eine Isolationsbarriere zu übertragen, ist eine Bandbreite von insgesamt 4,4 Gbit/s erforderlich. Eine typische Glasfaser hat genügend Bandbreite, aber die Übersetzung von einer Kupferleitung in eine Glasfaser erfordert einen Serializer, einen Deserializer sowie einen Konverter von elektrisch auf optisch. Eine Lösung mit digitalen Standard-Isolatoren benötigt ebenfalls einen Serializer, einen Deserializer und über 30 isolierte Kanäle, die alle mit 150 Mbit/s laufen. Beide Lösungen bedeuten erheblichen Mehraufwand für den Systementwickler, wenn er eine galvanische Trennung zu einer einfachen Schnittstelle mit hoher Bandbreite hinzufügt.
Durch Nutzung der Gigabit-Datenrate des ADN4654 lässt sich die Komplexität des Systems reduzieren und die 4,4-Gbit/s-Bandbreite mit nur zwei Bausteinen erzielen. Jeder Baustein hat zwei Kanäle, was insgesamt vier Kanäle ergibt, die mit 1,1 Gbit/s pro Kanal arbeiten. Die große Kanalbandbreite kann die Notwendigkeit eliminieren, einen SerDes-Block in der Signalkette einzusetzen. Platzbedarf und Komplexität verringern sich weiter, wenn mehr als nur eine Videoschnittstelle galvanisch getrennt werden muss.
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