Standard napięciowej transmisji szeregowej EIA/RS232C określa kilka istotnych warunków dla poprawnej pracy łącza. Tym, który najczęściej nie jest spełniony, jest maksymalna długość kabla (15m dla 20kbps). Spotykałem się już z torami transmisyjnymi o długości nawet kilkuset metrów, które „jakoś” pracowały, a ich twórcy byli przekonani, że jak coś nie działa, to trzeba obniżyć prędkość transmisji i będzie dobrze! Okazuje się, że nie zawsze…

Z czego biorą się problemy?

Pierwszym ich źródłem jest powszechna i poniekąd słuszna tendencja do ograniczania poboru mocy pobieranej przez układy elektroniczne. Zasilanie układów logicznych z pojedynczego źródła zasilania 5V lub coraz częściej 3.3V spowodowało powstanie układów, które niwelują brak niektórych napięć zasilających.

Typowe, w starszych realizacjach torów transmisji szeregowej, było zasilanie stopnia liniowego napięciem symetrycznym +/-12V oraz +5V. W nowych rozwiązaniach układ interfejsowy jest wykonywany o oparciu o moduł zasilany z pojedynczego napięcia +3.3/5V. W układzie takim (np. MAX3232, ICL3232, SP3232, ADM3310E), stopień końcowy sam wytwarza napięcie o dwóch polaryzacjach, zapewniając wypełnienie wymogów napięciowych standardu EIA/RS232C. Napięcie to z reguły nie przekracza +/-5.5V w stanie nieobciążonym.

Dla typowej transmisji szeregowej to wystarcza, bo zgodnie ze standardem, napięcie wyjściowe powinno być wyższe od +3V lub niższe od -3V.

O przekroczenie maksymalnych wartości napięć obawiać się nie musimy, bo w tych układach nie występują tak wysokie napięcia!

Najczęstsze zastosowania takich układów to transmisja danych na niewielkie odległości – pomiędzy blokami w urządzeniu lub na dystansie kilkudziesięciu cm lub co najwyżej 1,5m.

Uproszczenie układu i oszczędności są jednak okupione ograniczoną wydajnością prądową stopni wyjściowych buforów liniowych. W konsekwencji układy takie pracują doskonale, nawet przy prędkościach transmisji rzędu 460kbps, ale na dystansie nieprzekraczającym kilkudziesięciu centymetrów.

Musimy pamiętać, że w napięciowej transmisji szeregowej, sygnał wyjściowy pojawia się na końcu toru transmisyjnego, stłumiony na skutek istnienia oporności linii (omowej) i opóźniony/zniekształcony przez negatywny wpływ pojemności międzyżyłowych i doziemnych. Spadek amplitudy będzie zauważalny zwłaszcza wtedy, jeżeli oporność wejściowa odbiornika będzie niewielka. Standard to 3.75kW, typowy odbiornik linii, wykonany w technologii CMOS, spełni go z zapasem. Ale zdarzają się tzw. optoizolowane wejścia, które wymagają prądu kilku do kilkunastu mA do prawidłowego zadziałania…

Długie kable, zwłaszcza o niskiej jakości, mają bardzo niekorzystną dla takich zastosowań właściwość – znaczącą pojemność między żyłami sygnałowymi i masą.  Pojemność i oporność kabla powodują efekt taki jak układ całkujący RC. Maleje prędkość narastania sygnału, co w połączeniu ze zbyt dużą częstotliwością przełączania powoduje, że na wejściu odbiornika sygnał jest za słaby i zbyt zniekształcony, żeby poprawnie rozróżnić „0” i „1”.

Zdarzają się także tak kuriozalne przypadki, jak tor transmisji danych szeregowych o długości ok. 330m, wykonany z połączonych kilku odcinków kabla oświetleniowego YDY P 3×0.75.

Co zrobić w takiej sytuacji? Transmisja „działa” tylko czasami, ułożenie nowego kabla jest technicznie możliwe, ale ani gestor, ani „winowajca” na koszty nie chce się zgodzić, a system bez prawidłowej transmisji nie jest ani kompletny, ani przydatny dla swojego celu.

Rozwiązaniem w takim przypadku może być użycie bufora nadawczego, pokazanego na schemacie poniżej.

Jeżeli w układzie transmisyjnym zastosowano, po stronie nadawczej, układ scalony np. MAX232, w obudowie DIL, umieszczony w podstawce, to może się okazać, że zastosowanie układu o podobnej konstrukcji rozwiąże problem w sposób prowizoryczny, ale ostateczny.

Bufor transmisji szeregowej - montaż na płytce uniwersalnej

Terminal wagi przed podłączeniem bufora

Terminal wagi po podłączeniu bufora

Układ bufora ma dwa wzmacniacze przeciwsobne na tranzystorach komplementarnych, zasilane z przetwornicy DC/DC. Przetwornicę musimy dobrać zależnie od tego, czy napięcie zasilania układów cyfrowych ma wartość 3.3V czy 5V. Po stronie wyjściowej mamy dwa napięcia +12V i -12V 50mA. Jeżeli to byłoby niewystarczające, możemy zastosować przetwornicę o większej mocy np. 2W. Najistotniejszą zaletą rozwiązania jest bardzo mała wyjściowa oporność dynamiczna stopni nadawczych. Dzięki temu pojemności kabla są przeładowywane zdecydowane szybciej. Amplituda sygnału wyjściowego jest większa i mniej zależna od parametrów kabla. Lepiej jest tolerowana także mała lub nieliniowa oporność wejściowa (optoizolator).

Efekty zastosowania takiego bufora pokazują poniższe oscylogramy, przed i po połączeniu wzmacniacza.

Sygnał transmisji szeregowej na kablu obciążonym optoizoatorem

Sygnał po wzmocnieniu na 120m kablu bez obciążenia

Sygnał na 120m kablu zakończonym optosprzęgaczem

Wystąpienie tego typu zjawiska, jako skutku długotrwałej eksploatacji wagi nie martwi nikogo poza Właścicielem wagi, ale jeżeli występuje już na etapie uruchamiania nowej wagi lub jest zjawiskiem zaobserwowanym po wizycie serwisu, potrafi zabrać spokój Wagarzowi i narazić Go na dodatkowe wydatki dla przywrócenia oczekiwanego rezultatu. Rezultatu, którym zawsze jest stabilność wskazań wagi, powtarzalność wyników i odporność na typowe warunki, w których waga jest eksploatowana.

Poziomica wagarska - trzy rodzaje elektroniki, dwie wielkości

Proponowane rozwiązanie – poziomica wagarska nie eliminuje oczywiście błędów ustawienia czujników tensometrycznych, ale pozwala błyskawicznie i z dużą dokładnością określić, czy czujnik jest prawidłowo ustawiony -w pionie. Występujące błędy ustawienia w obu prostopadłych osiach są w czytelny sposób sygnalizowane, a wskazanie wprost sugeruje wielkość i kierunek korekty ustawienia czujnika dla osiągnięcia prawidłowego położenia.

Zobacz szczegóły…

Zmiana programu mikrokontrolera i dodanie niewielkiego pulpitu z pięcioma diodami LED zmieniły korektor pochylenia w dokładną poziomicę. Stworzony na bazie programu do monitorowania głowicy komparatora, program do wizualizacj pracy poziomicy na PC, stworzył ciekawe środowisko do eksperymentów. Przyjęty w moim programie sposób wizualizacji przypomina widok bąbelkowej poziomicy spirytusowej zwanej potocznie “bycze oko” czyli “Bull eye”.

Okno programu - dwuosiowa poziomica MEMS

Pierwsze rezultaty z testów można zobaczyć tutaj.

[youtube]96HFvGNmJpw[/youtube]

Pomysł okazał się na tyle dobry, że postanowiłem na jego bazie stworzyć jedną z wersji poziomicy dla serwisu wag elektronicznych.