Доступно все желающим и их родственникам!

Внимание! – при перепечатке ссылка на автора обязательна!

В противном случае действует закон об Авторских правах!

 

ВОССТАНОВИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

 

     Задача по увеличению длинны линии и восстановлению  сигналов  для 1-проводной шины микросхем датчиков температур ds1820 фирмы Dallas Semiconduktorа решается  с помощью довольно таки простой схемы, представленной ниже.

                 

Восстановление, 'затянутого' емкостью кабеля, сигнала перехода из 0 в 1 осуществляется путем кратковременного открытия  транзистора  Т1. Начало открытия определяется порогом включения Т2, а закрытие - временем заряда  С1.

В разряженном состоянии С1 имеет как бы минимальное сопротивление и  минусовое  напряжение с общей шины поступает на базу Т1,  который и открывается, так как он структуры P-N-P. Как только C1 максимально зарядится,  его сопротивление максимально возрастет и транзистор Т1 закроется из-за базового сопротивления R3.  И пока транзистор  открыт  он 'подтягивает' фронт импульса к логической 1 и таким образом восстанавливает сигнал.

Разряд С1 для восстановления очередного фронта сигнала,  осуществляется во время закрытия Т2 через сопротивление R2 в цепи его коллектора.

Фронт сигнала из 1 в 0 восстанавливать обычно не  требуется,  поскольку он формируется, достаточно сильноточными ключами  ИМС  DS1820  и адаптерами сопряжения с ПЭВМ стыка  RS-232.  В  случае  необходимости, схема  восстановления  для перехода импульса из 1 в 0 выполняется полностью аналогично, но в 'зеркальном' виде. Транзисторы меняются структурой.  Включение  вывода эммитера входного ключа осуществляется  соответственно к плюсовой шине, а выходного ключа - к общей. Сопротивления и емкости остаются прежние.

Схема восстановления требует питанию +5 вольт.  Для возможной работы по 2-х проводной цепи установлен диод Д1, который подзаряжает накопительный  конденсатор  С2  во  время  передачи  по ШД напряжения +5 вольт.  В этом случае может потребоваться программно  увеличить  время состояния  шины  в  напряжении  +5 вольт путем уменьшения передаваемых сигналов управления, т.е сигналы 0 передавать пореже.

Характеристики большинства  современных  маломощных  транзисторов подходят для работы в схеме.  Не рекомендуется использовать во входном ключе транзисторы германиевой структуры, поскольку их напряжение включения около + 0.5 вольт. Возрастет вероятность приема помехи в длинной линии вызванной индуктивностью  и  поэтому  появляющимися   'выбросами' напряжения на шине данных,  как при 'нулевом' уровне,  так и при 'единичном'. Кроме того, обязательно в длинной линии необходимо установить на ШД защитные стабилитроны для ограничения максимально возможных выбросов напряжения.

Одна схема обеспечивает увеличение предельной длинны линии в  2-3 раза.  Для  эксплуатации  еще  большего расстояния допустимо включение нескольких восстановителей распределенных по длине линии. Автором разработана печатная плата со схемой данных восстановителей и ветвителей сигналов шины Micro Lan DS2409.

 

          ----------------------------------------------------

     Автор - Шабронов Андрей Анатольевич –7-913-905-8839

     e_mail -  shabronov@ngs.ru

   

 

 

 

Дополнение к материалу статьи

Автор посчитал необходимым, включить и общие рассуждения пути решения проблемы. Важен результат? А как к  нему  Вы пришли? Этот материал для тех, кому интересен и путь и цель.  Как в олимпийском движении - главное не победа - главное участие!   И так:

 

Может ли быть 'параллельный' усилитель сигналов?

 

Схема восстановления  сигналов 1-проводной шины MicroLAN получена с использованием ТРИЗ - теории решения  изобретательских  задач.

Общий ход рассуждений был таков.  Нужно восстанавливать сигналы и значит нужна схема которая бы регистрировала переход из 0 в 1 и обратно и делала бы это по быстрей.  Но любая схема регистрации имеет порог регистрации и значит получается  замкнутый круг.

Происходит НАКОПЛЕНИЕ ошибки!

Любой разрыв  цепи пусть с элементами, которые имеют очень большое быстродействие,  начнется с затянутого фронта.  И получается, что  нужно восстанавливать сигнал, но разрывать линию нельзя!  Это первое противоречие.

Второе противоречие - это двунаправленность линии Dallas и  соответственно ОБЯЗАТЕЛЬНО БУДЕТ ПРОМЕЖУТОК ВРЕМЕНИ, КОГДА СХЕМА РАЗРЫВНОГО РЕГЕНЕРАТОРА ДОЛЖНА ПЕРЕКЛЮЧАТЬСЯ ОТ ПРИЕМНИКА К ПЕРЕДАТЧИКУ И  НАОБОРОТ.

Т.е. получается, схема должна быть в линии и не разрывать линию!  А это может быть, если она находится ПАРАЛЛЕЛЬНО ЛИНИИ.

В этом случае схема следит за сигналом и как только он откланяется от требуемого состояния, возвращает его к норме.

Позволяют ли характеристики нашего импульсного сигнала  1-проводной шины  это  сделать?  Да  позволяют!  Сигналы в MicroLan достаточно простые и строго определены. Всего их 2а типа. Импульс 1-0-1 длинной в 10-15 микросекунд,  который  определяет  значение для передачи 1, и такой-же импульс но длинной 60-80 микросекунд.

     В чем заключается искаженность этого импульса. Емкость кабеля недает быстро вернуться к уровню напряжения в +5 вольт - логической единицы.

Почему быстро не получается?  Заряд емкости кабеля осуществляется через  'подтягивающее'  сопротивление  (это термин по документации на MicroLAN), а оно не может быть слишком малым. Это цепь нагрузки коллектора выходного ключа.  Это сопротивление определяет токи коллекторов и выбирается из расчета мощности ИМС и технологии.  По паспорту токи  не  должны превышать 5-8 милиампер.  Отсюда и сопротивления для +5 вольт - 1-4 ком. Максиумы не ставят, это критичные режимы.

А разряд емкости кабеля происходит быстро,  поскольку сопротивление цепи открытого транзистора не более 50-100 ом.

Вывод. Надо 'помочь' вернуться сигналу к +5 вольт, но только 'помочь' и 'не переборщить'. Что бы следующие сигналы снова могли передаваться по линии.

Значит, схема должна работать с момента начала перехода из 0  в  1 и прекращать работу, как только на ШД будет +5 вольт.

Зафиксировать переход можно открытием  транзистора,  а  элементом, который  будет на короткое время открывать 'помогающий' ключ - конденсатор. Его время заряда должно соответствовать фронту импульса. Емкости схемы  получаются достаточно малые, от 1..6н при указанных сопротивлениях и типах транзисторов.

Точность по времени в нашем случае вполне допустима.  Хотя  можно использовать, например и кварцевый генератор со схемой счетчиков и формирователей, который будет включать 'подтягивание' напряжения на очень точный промежуток времени. 

Это, конечно шутка. Наша задача сделать схему максимально простой, так что бы ее совсем бы не было, но функции ее выполнялись! Это тоже принцип ТРИЗа.

Как говорил,  то  ли  изобретатель автомата Калашникова то ли танка Т-34 - Лучшая деталь – та, которой нет! Она никогда не сломается. Соответственно и   получилась  схема  представленная выше.

Можно использовать в качестве фиксации перехода из 0 в 1 и операционные усилители или компараторы. Но стоит ли? Питание однополярное и достаточно маленькое.  Быстродействие должно быть максимальным, что бы 'подтягивать' фронты.  Операционный усилитель попросту не успеет отреагировать. Напоминаю  что,  длительность  идеального фронта равна 0,  и вспомни, сколько там внутри транзисторов в этом ОУ. А им всего лишь надо  переключиться.  Но с точки зрения конструкции желательно бы все же схему реализовать в одном корпусе.

В чем  ограничения  длинны  линии с данной схемой восстановления?

Ограничения  определяются  ключевыми  элементами  микросхем   датчиков ds1820, даже если им и помогать.

Как говориться - на два стула сразу не сядешь!  Или еще,  про женщин – 'за три их места двумя руками не ухватишься!'

Ключи для длинных линий слабы,  а помехи сильны! Это если кратко выразить проблему. А в параллельной линии, чем длиннее линия, тем больше помех.

На практике  получилось  для кабеля КММ-035,  это гибкий провод в экране 2 жилы по 1.2 мм каждые, длинна линии    не  менее  400 метров с  одним восстановителем в средине линии и работа с 26 датчиками, рассредоточенными по всей длине.

Без восстановителя  помехи  ограничивали  работу уже на длине 150 метров.

Сколько будет  максимальная длинна линии, пока трудно сказать, и теория здесь  не ясна. Запас проверен на 400+200 метров(3 бухты по 200..220м), но появляются помехи. Кроме того, при длинной линии начинает больше влиять индуктивность кабеля. А поскольку используется простой ключ он и реагирует на эти выбросы напряжения.

Дальнейшая работа принципа  восстановления  сигнала  должна решить следующие задачи:

     -оптимизация схемы.  Например, на быстродействующих ОУ ИМС в одном корпусе для восстановлением фронта 0-1 и 1-0;

     -проблема индуктивной помехи -  'выбросов'  напряжений,  которые препятствуют использованию схемы в длинной линии;

     -теоретический расчет и практическая проверка  максимальной длинны линии на различных кабелях, используемых в монтаже;

 

      Для всех заинтересовавшихся:

       В заголовке данной работы  поставлен  вопрос  о  'параллельном' усилителе.  В  данном случае,  эта схема похожа на параллельный усилитель.  Хотя, возможно это и слишком упрощенная модель. Ну, что-ж, предлагайте свои варианты, для решения этой практической задачи.

     - в  Интернете имеются ссылки на различные 'регенераторы' линий и удлинители 'последней мили' и так далее.  Но, к сожалению,  очень мало принципов их работы,  схем и описаний.  А данное описание подготовлено именно для понимания принципа восстановления. Конструкции могут быть и другие. Все зависит от Ваших возможностей по элементной базе.

     - возможно, у Вас есть и другое мнение, предложение или даже принципиальная  схема  по возможности увеличения длинны линии для датчиков DS1820 и других приборов стандарта MicroLAN. Предлагаю  дискутировать. А можно и расширить применение. Так, например, автором рассчитана схема для увеличения скорости работы модемов, по нашим 'хорошим' линиям. Используется та же, идея 'параллельности' усиления. Только, есть и экономический анализ. Всякая новизна должна оправдываться. Пятое колесо в машине хорошо только как запаска. А практика подтвердит правоту. Жду-с!

 

      схема работает  в Новосибирске с 15 ноября 2001 года

     ----------------------------------------------------

     Автор - Шабронов Андрей Анатольевич –8-913-905-8839

     e_mail -  shabronov@ngs.ru

 

 

Автор получил ответ от ведущего специалиста фирмы 'ЭЛИН' с комментариями по схеме увеличения длины шины Micro Lan.

1.                 Глубокий анализ аналогичных схем позволяет сделать правильные выводы. Сохранен стиль и пунктуация от эксперта и текстовый ответ переведен в html.   Цифры говорят сами за себя. Это решающий фактор. Смотри 'в – четвертых' опыт 3 и 4.

2.                 В данном анализе нет экономической оценки с учетом размеров России, сроков и цен на поставки элементов. Как говорила моя бабушка, побывав в супермаркете: « И все мне здесь нравиться – продавцы нравятся, товар нравится, но вот ЦЕНА не нравиться».  Или « за морем телушка – полушка, да рубь – перевоз».

 

--------------------------------

 

20.5.2003

Здравствуйте, Андрей Анатольевич.

Извините за задержку с ответом. Она была вызвана целым рядом обстоятельств и связанна, как с цейтнотом в работе, так и со стремлением досконально разобраться в предложенном Вами схемотехническом решении. Однако, в настоящее время я собираюсь в командировку на две недели и откладывать еще свое письмо к Вам уже нет смысла.

Итак.

Во-первых, спасибо за подробное пространное послание, в котором все досконально изложено и прозрачность описания работы узла «восстановителя» сигналов линии после его прочтения – очевидна.

Во-вторых, хотелось бы отметить, что Ваша схемотехника вызвала до боли знакомые воспоминания о чем-то подобном, и удивительно схожем. Знаете, еще с тех пор, когда мы начинали вплотную заниматься 1-Wire, а это было году в 1997, у фирмы PoitSix Inc. на сайте были открыты все схемы. Так вот пара из оконечных каскадов адаптеров для компьютеров с активной подтяжкой их собственной разработки очень напоминают Вашу схему (только у них использованы МОП-транзисторы). Безусловно, я не вовсе не хочу сказать, что Вы что-то у кого-то «стянули». Просто это говорит о том, что Вы независимо пришли примерно к тому же решению, что и разработчики PoitSix Inc.. Но, они почему-то не предлагали это решение в качестве «восстановителя» линии, и регламентировали его только, как насадку для мастера. Кроме того, они пошли дальше, и нашли среди номенклатуры фирмы MAXIM (которая, кстати, тогда не имела никакого отношения к Dallas Sem.) уникальный супервизор с двумя компараторами верхнего и нижнего уровня (MAX6314), действенность работы которого по реализации идеи предложенной, в том числе, и Вами, на несколько порядков эффективнее. Кроме того, это уже законченное интегральное решение, которое на практике оказалось столь удачным, что кочует с подачи специалистов Dallas Sem. на протяжении 5 лет из одного их документа по 1-Wire в другой (см., например, http://www.maxim-ic.com/1st_pages/tb1.htm) .

 Мы и сами неоднократно убеждались в эффективности этого решения, даже по сравнению с выходным каскадом DS2480B, а потому оно заложено в большинстве наших конструкций, в которых в качестве мастера линии используется микроконтроллер.

В-третьих, удивительное дело с точки зрение инженера жить в эпоху Интернета, когда практически все известно о том, что делают другие, перенимать их опыт и не делать ошибок которые уже кто-то когда-то делал. Так вот, лично мой опыт показывает, что ни одна попытка, предпринимаемая до сегодняшнего дня по созданию репитера 1-Wire, не увенчалась успехом.

 Этот опыт, опирается как на постоянный анализ состояния дел в этой области (конференции по 1-Wire и сайты основных разработчиков), так и на наш собственный опыт создания подобных систем (см. ftp://ftp.elin.ru/pdf/1-Wire/1wrain_powtor.pdf (однако это единственно, что мы выложили, а так есть еще штук 5 схем и просто с активной подтяжкой на линии, и даже с полным гальваническим разделением + активная подтяжка)).

 Речь при этом идет не о построении систем на базе пусть даже 20-30 однотипных цифровых термометров с малым собственным потреблением, а о полноценных 1-Wire-системах с самыми различными типами однопроводных устройств, участвующих одновременно в работе на линии.

Вот когда, их 50-70, да многие требуют питания по 5-10мА (например оптроны развязок), и коммутируют нагрузки с такими же токами, да работают на отработку уставок управления, а не занимаются только мониторингом, результаты которого легко отфильтровать программно, а линия метров 150-200, а вокруг еще «хлопают» магнитные пускатели и работают насосы (т.е. помеховая ситуация не простая), вот тогда начинаются настоящие проблемы.

 Которые не только по нашему опыту, но и по опыту наших с Вами коллег по всему миру не имеют однозначного решения с точки зрения репитеров, какой бы то ни было аппаратной конструкции. Да можно в частном случае, ценой неимоверных усилий найти место правильного расположения такого восстановителя и добиться какого-то успеха, но, изменив чуть конфигурацию линии или добавив еще одно устройство, можно полностью обрушить обмен на ней. Однако мы, как и многие из людей посещающих конференции Dallas Sem., после долгого пути проб и ошибок, пришли к иному подходу. А именно, к методам особого программного обслуживания проблемных 1-Wire-линий.

При этом, производится максимальная затяжка временных слотов 1-Wire-интерфейса, которая по своим характеристикам иногда даже вступает в противоречие с основополагающими параметрами временных соотношений стандарта обмена не однопроводной шине. Однако, как это не странно все работает. Более того, количество сбоев на проблемных линиях при этом стремится к нулю. Такой подход не означает, что мы принципиально не верим в схемотехническое решение по устранению проблем в проблемных однопроводных линиях. Нет, напротив мы очень внимательно относимся ко всем предложениям в этой области, при этом, проверяя каждое из них на практике.

В-четвертых, чтобы понять насколько эффективно именно Ваше решение мы решили произвести эксперимент, который уже совершали неоднократно. В нашей лаборатории существует тестовая однопроводная линия, проложенная неэкранированным кабелем 5 категории в соответствии с принципами общей шины, длинной около 200-220 метров, которую мы используем для испытаний и предварительного прогона систем, перед их передачей заказчикам. Линия достаточно сложная: некоторые ее участки проходят 1 метре от силового трансформатора и распределительных щитов, а на протяжении 50 метров она идет в 1см от силовых кабелей, при этом реализуя достаточно замысловатую геометрию прокладки.

 Так вот повесили мы вдоль этой линии на коротких патчах для ровного счета 40 однопроводных устройств (самых различных (на базе DS18S20, DS18B20, DS2401, DS2406, DS2438, DS2423, DS2890 и т.д.)) и решили испытать четыре решения: Ваше, аналогичное наше, но на базе MAX6314 (кстати, как уже отмечалось ранее эта схема уже несколько раз проверялась нами подобными экспериментами, но здесь мы решили ее тоже использовать для сравнения), программное решение по помехоустойчивому обслуживанию линии, и новый появившейся адаптер Link (см. http://www.ibuttonlink.com/). В первых двух вариантах использовался стандартный адаптер от Dallas Sem. DS9097U-009, а в третьем микроконтроллер с выходной подтяжкой на базе MAX6314. В первом, втором и четвертом случае в качестве мастера был использован компьютер, а во втором случае контроллер ML98D нашей разработки. Счетчики сбоев были написаны с использованием наших собственных разработок.

Вот каковы результаты с учетом того, что 1-Wire-«репиторы», изготовленные  по Вашей и нашей схеме, территориально размещались именно в тех местах линии, при которых получалось меньшее количество сбоев, что, определялось опытным путем:

1.                       Работа без каких-либо «прибамбасов» на адаптере DS9097U-009 в моде Regular Speed активной подтяжки - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 100% (линия вообще не работает).

2.                        Работа без каких-либо «прибамбасов» на адаптере DS9097U-009 в моде Flex Speed активной подтяжки - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 77% (линия вообще не работает).

3.                        Ваша схема 1 шт. на линии (~ середина линии) - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 40%.

4.                        Ваша схема 2шт. на линии (~ 1 начале линии, 2 в середине линии) - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 32%.

5.                        Наша схема 1 шт. на линии (~ середина линии) - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 33%.

6.                        Наша схема 2шт. на линии (~ 1 начале линии, 2 в конце линии) - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 29%.

7.                        ML98D с активной подтяжкой без «репитеров», с специальным программным обеспечением, но без программной фильтрации- количество ошибок при 1-Wire-посылках – 6%.

8.                        Адаптер Link - количество ошибок при 1-Wire-посылках – 2%.

 

Эти цифры говорят сами за себя. И наверно это правильно, т.к. наибольшие сбои и ошибки в 1-Wire-линии появляются именно от переходных процессов и отражений сигналов, а их можно устранить либо затягиванием процессов обмена, либо методами цифровой обработки сигнала (чем и «силен» Link). Да, мы потратили на этот эксперимент около полутора недель и достаточно много сил, однако, его результаты не только показательны для Вашей схемы, но и для нас очень значимы (особенно в отношении только, что появившихся у нас адаптеров Link), поэтому не времени ни сил не жалко.

Правда в описанном выше эксперименте, есть одно очень существенное допущение. Мы при его проведении считаем, что однопроводные устройства нашей конструкции оптимальны. Однако, это может быть не совсем так. Во всяком случае, они по своей схемотехнике достаточно сильно отличаются от «чистых» однопроводных компонентов (см. схемы в паспортах элементов ML-OEM по адресу http://www.elin.ru/1-Wire/04.htm).

В-пятых, по поводу сотрудничества связанного с опубликованием Вашей статьи и гонораром за нее. Тут Вы наверно не верно все поняли. Мы очень маленький коллектив. Нас всего 12 человек и работаем мы в таком же государственном научном учреждении, как и Вы (см. http://www.elin.ru/ABOUT.htm). И все, что мы делаем по направлению 1-Wire это в очень большой степени подвижничество, как я понимаю, также как и у Вас. И с работой у нас, похоже, так же как у Вас достаточно напряженно. Так, что по поводу гонораров это ни к нам. Мы можем лишь опубликовать Вашу статью в нашем разделе ИНФОРМАЦИЯ web-страницы, посвященной 1-Wire-технологии, на ряду с другими, да и то бесплатно.

В-шестых, что касается того, какие кому однопроводные устройства нравятся, это как девушки, дело очень личное. Однако, в этом вопросе есть и объективные моменты. Например, с точки зрения схемотехники реализации однопроводного интерфейса все кристаллы достаточно здорово отличаются, делясь при этом на три группы:

1. DS2401, DS2405 – такие как первые приборы iButton (до 1994 года),

2. DS1820, DS2407P, DS2423, DS2450, DS2417 и т.д. – вторая более удачная разработка для длинных линий (до 2000 года),

3. DS18S20, DS18B20, DS1822, DS2438, DS2409, DS2890 и т.д. – наиболее удачный последний вариант схемотехники 1-Wire-интерфейса (после 2000 года).

А что касается возможностей DS2450 по заданию выходных воздействий, то с появлением DS2408, а на сегодня это уже реальность, скорее это будет напоминать стрельбу из пушки по воробьям.

 

С уважением, Ольховский Алексей. common@elin.ru

--------------------------------

 

ред.26-10-2016  перевод темы на сервер автора.