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

Ten problem nie występuje jedynie przy tensometrach cyfrowych, przy których zawsze możemy przewód sygnałowy przyciąć na pożądany wymiar.

Zdecydowanie inaczej ma się sprawa w przypadku analogowych czujników tensometrycznych. Ich producenci nie pozostawiają nam wątpliwości, obcinać nie można!

Grozi to nie tylko utratą gwarancji na czujnik, ale także może być przyczyną nieoczekiwanych zmian parametrów całego toru pomiarowego.

Przyczyna tkwi w utracie kompensacji temperaturowej, którą producent czujnika wykonuje dla kompletnej struktury pomiarowej (mostka tensometrycznego) wraz z całym, dołączonym fabrycznie, przewodem sygnałowym.

Przy założonej przez wytwórcę rozdzielczości czujnika tensometrycznego i wynikającej z niej klasie dokładności, błąd wskazania w całym zakresie dopuszczalnych obciążeń i w pełnym przedziale zmian temperatury i innych czynników środowiskowych musi być mniejszy niż zadeklarowana wartość maksymalna.

Nie da się tego zagwarantować, po zmianie długości przewodu sygnałowego, innej niż ta, przy której kompensowano czujnik.

Jest to szczególnie istotne w przypadku tensometrów przystosowanych do pracy równoległej, lub dla zespołu tensometrów „parowanych” do pracy w grupie 4, 6 lub 8 czujników, montowanych np. pod platformą wagi samochodowej.

Co jednak począć z kilkumetrowym „nadmiarem” kabla sygnałowego, który pozostaje nam po podłączeniu czujnika do puszki połączeniowej lub do miernika?

Zwinąć!

Ale w tym miejscu pojawia się problem i pytanie: jak zwinąć, żeby było dobrze, a przynajmniej nie gorzej?

Spotkałem się w swojej praktyce z sytuacjami, gdzie zwinięty nadmiar przewodu sygnałowego stawał się źródłem nieoczekiwanych problemów, objawiających się brakiem stabilności wskazań zera, chwilowymi „szaleństwami” wagi czy wręcz zupełnym brakiem poprawnej pracy.

Dlaczego tak się dzieje?

Kabel sygnałowy od tensometru to z reguły wiązka czterech lub czasami sześciu przewodów w ekranie foliowym, w oplocie lub w podwójnym ekranie. Tak czy inaczej dwa z tych przewodów to linie sygnałowe z przekątnej mostka, przekazujące sygnał na poziomie pojedynczych μV na działkę pomiarową wagi. Przy oporności wyjściowej mostka rzędu 350Ω, który można uznać za źródło napięciowe, czujnik tensometryczny wykazuje sporą odporność na typowe zakłócenia od pól elektromagnetycznych. Gdy jednak nieopatrznie zwiniemy zbyt długi przewód w pętlę, możemy radykalnie zwiększyć poziom indukowanych w nim zakłóceń, co z reguły objawi się nam niestabilnym wskazaniem zera. Koś może zapytać: a co z ekranowaniem, czy nie rozwiązuje problemu? Nie zawsze i nie dla każdego przypadku, ponieważ właśnie potencjały indukowane w ekranie przez elektromagnetyczne pola zakłócające są głównym źródłem problemów. Zwłaszcza wtedy, gdy są duże. Przewody sygnałowe wewnątrz ekranu nie mają idealnej symetrii. Ich pojemność międzyliniowa i pojemności rozproszone do ekranu nie są równe. Skutkuje to odmienną wielkością sygnału zakłócającego, przenikającego przez te pojemności z ekranu do poszczególnych żył sygnałowych. Przy niezbyt korzystnym zbiegu okoliczności, zakłócenia (a właściwie ich różnica, indukowana w parze przewodów sygnałowych) mogą osiągnąć poziom porównywalny z wartością wejściowego sygnału pomiarowego, dla działki elementarnej i staną się widoczne. Konfiguracja filtru w mierniku nie zawsze rozwiąże problem, bo zbyt duża energia sygnałów zakłócających zawsze, prędzej czy później, będzie źródłem problemów.

Jaka jest rada?

Jest ich kilka i najlepiej zastosować wszystkie:

○        należy unikać sytuacji, gdzie potencjalne źródła zakłóceń EMC znajdują się w pobliżu czujników tensometrycznych (nie do wyeliminowania np. w wagach kolejowych),

○        należy dobierać czujniki tensometryczne o takiej konstrukcji, w której osiągniemy najlepsze dopasowanie budowy czujnika do realiów jego zainstalowania (często niemożliwe do zastosowania – czujniki jakie są każdy wie…),

○        należy umieszczać puszkę połączeniową w centralnym miejscu, w którym odległość do poszczególnych czujników jest najbardziej porównywalna (możliwe, ale tylko przy wagach na czterech czujnikach),

○        nadmiar kabli połączeniowych od czujników tensometrycznych należy zwinąć bifilarnie! Takie „skrócenie” kabli eliminuje zakłócenia indukowane w kablach do minimum.

Jak to zrobić?

1. wybieramy cały nadmiar kabla pomiędzy czujnikiem i puszką i składamy go na pół, pamiętając o zachowaniu minimalnego promienia zgięcia kabla, jeżeli producent go określił,
2. zwijamy nadmiar kabla, począwszy od miejsca złożenia, w regularną pętlę, o średnicy kilkunastu centymetrów (wymiar niekrytyczny),
3. spinamy zwinięty kabel przy pomocy opasek poliamidowych, izolowanego drutu, sznurka lub taśmy izolacyjnej, tak, aby zachował nadany mu kształt (zalecane, chociaż niekrytyczne),
4. układamy zwiniętą pętlę nadmiaru kabla równolegle do przebiegu przypuszczalnych linii sił pola zakłócającego, czyli np. kładziemy go płasko na dnie pomostu, a nie wieszamy w jednym punkcie.

Te kilka prostych czynności pozwoli nam zmniejszyć do minimum amplitudę zakłóceń indukowanych w przewodach sygnałowych. Niezależnie od tego, jakie są duże, przy zastosowaniu tych reguł, będą wywoływały najmniejsze z możliwych zakłóceń w torze pomiarowym.

Czy jednak problem dotyczy tylko toru pomiarowego? Oczywiście nie! Tyle, że po stronie interfejsów komunikacyjnych nie mamy zazwyczaj żadnych ograniczeń na dopasowanie kabli na wymiar. W przypadku, gdy stosujemy uniwersalne, gotowe kable pamiętajmy, aby nie przesadzać z ich długością. Za długie skracajmy według tych samych reguł, co powyżej, a unikniemy wielu kłopotów.