Гальваническая развязка компьютера и периферийных устройств

Автор: maksipus
Опубликовано 18.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2017!"

 Блок связи компьютера и периферийных устройств по интерфейсу RS-485 c гальванической развязкой.

Для связи блока домашней автоматики с компьютером, пришлось мне сделать специализированный блок.  Расстояние между компьютером и блоком автоматики 12м. На этом расстоянии вполне возможен обмен информации по интерфейсу RS-232.  Но с прицелом на будущее был выбран интерфейс  RS-485, как более защищенный от помех и позволяющий намного увеличить длину линии (до 1200м). Сама линия RS-485 очень простая и дешевая, это обычная витая пара (на небольших расстояниях можно использовать любую пару проводов, вплоть до обычных телефонных).  Сигнал в линии дифференциальный, поэтому наиболее защищен от помех и внешних наводок. Недостаток этого интерфейса, это полудуплексный режим и небольшая сложность в управлении самой микросхемой преобразующей сигнал. Передача и прием не могут  быть одновременными, но в большинстве случаев это не имеет значения.

Набор микросхем для изготовления преобразователя интерфейса  RS485 огромен, от разных фирм, но все они практически одинаковы в логике работы для стандартных применений. Различаются только ценой и предельными техническими характеристиками. 

Для полной уверенности, что я не сожгу порт и сам компьютер решил сделать гальваническую развязку.  На мое удивление, поискав в интернете готовое решение (блок то стандартный) я не смог найти подходящую для меня конструкцию. Большинство конструкций были полуфабрикатом,  некоторые с ошибками или относительно дорогие.

Что применить?

Вопрос в основном  встал, что применить в качестве гальванической развязки и чем осуществить развязку силового питания.

Самое простое и лучшее для гальванической развязки сигнала, применить специализированные  микросхемы. Выбор их довольно обширен. Приведу лишь малую часть. 

ADuM1300/1301

Они подойдут в очень многие конструкции где нужна гальваническая развязка . 

ADM2486 и ADM2483 

 Это специализированные микросхемы, которые несут уже в себе преобразователь RS-485. Все эти микросхемы выполняют гальваническую развязку с помощью фирменных трансформаторов, выполненных на кристаллах кремния внутри микросхемы (технология iCoupler). Параметры микросхем довольно внушительны. Что по скорости работы, что по допустимому напряжению защиты.

Микросхемы сегодня доступны и стоимость их вполне реальна и оправданна. Найти микросхему, которая вам подходит очень просто. На сайте Analog Devices (есть на русском языке) выбираете что вам нужно и фирма предложит вам перечень микросхем, а к ним документацию как даташитов, так и несколько готовых решений. Фирма предлагает как универсальные гальванические развязки, так и специализированные, предназначенные для конкретной задачи. [1] Другие фирмы так же предлагают подобные готовые решения и перечень выпускаемых микросхем. 

Есть даже две специализированные микросхемы гальванической развязки интерфейса USB ADuM3160 и ADuN4160. [2] Стоимость их вполне адекватная для выполняемой задачи, как выполнить гальваническую развязку USB на других элементах я не встречал. Применение их будет актуально для владельцев приборов с выводом информации по USB. Сжечь дешевый (или дорогой) приборчик случайно конечно жалко, но потерять при этом ПК уже трагедия. 

Традиционно USB считается безопасным, но при этом часто забывают, что подключить "на лету" устройство с "иной землей" довольно рискованно. Статическое электричество может преподнести неприятные сюрпризы. Сигнальные шины самодельных/фирменных внешних устройств так же не идеальны и могут создать большие проблемы.

Существуют гальванические развязки с уже встроенным в м.схему преобразователем питания.

Параметры этих микросхем внушительные. Как анонсирует фирма: "16Mbps, 5 kV rms Signal & Power Isolated RS-485 Transceiver with ±15 kV ESD Protection для м.схемы ADM2682E (при цене в опте 7$). И это в корпусе SOIC16! вместе с блоком питания!

Применяя их, остается только сделать плату по предложенному эскизу и найти подходящий корпус. Сегодня специализированные микросхемы гальванической развязки выпускают многие фирмы. Цены их в основном адекватны сложности и техническим характеристикам. Применив м.схему со встроенным преобразователем питания можно получить миниатюрный блок.

Ознакомиться с выпускаемыми м.схемами для интерфейса RS485 и гальванической развязкой от фирмы Analog Devices можно по ссылкам в конце статьи.  Список дан как наиболее удобный при начальном ознакомлении с перечнем продукции.

 Очень интересно для сверхскоростных узлов гальванической развязки применить микросхемы не относительно медленных оптопар и не более скоростных по технологии iCoupler от Analog Devices, а м. схемы серии Si844x от фирмы SILABS. Типичное время задержки, то есть время, необходимое для передачи цифрового сигнала через изолирующий барьер у них, составляет менее 10 нс! Что на 50 % быстрее, чем уже существующие методы. [см.13]

Очень высокую скорость имеют и м. схемы фирмы Rhopoint Components Ltd выполненные на магниторезистивном эффекте. Время задержки так же 10nC. Получаем уже невероятную скорость в 110Mbps. [см.15] 

Но это уже довольно дорогие изделия, для спец. применения. Где вся конструкция заточена под такие скорости.

Это лишь небольшой обзор выпускаемых м.схем гальванической развязки. Перечень производителей и конкретных м.схем очень большой.   

Реальная конструкция

 Но собрать конструктор-Лего не метод радиолюбителя. Удовольствие доставляет не только  готовая конструкция, но и сам процесс изучения, проектирования и изготовления. Да и стоимость предлагаемой конструкции получилась небольшая, сопоставимой с парой пачек сигарет.

М.схемы-преобразователи интерфейсов SN75176 и ST232 у меня были куплены ранее, остальное решил применить в конструкции, что в принципе всегда есть в закромах у радиолюбителя. Опторазвязку, на самой доступной, копеечной PC817. Параметры этой оптопары подходят для скорости передачи информации 9600бот, принятой де-факто в любительских конструкциях.
Точно также решился и вопрос разделения силового питания. Решил применить обратноходовой преобразователь на микросхеме МС34063. Такой инвертор  универсальный, простой, безопасный и дешевый. Остальные микросхемы применены специализированные и дешевле трамвайных билетов.

Коротко о микросхеме-преобразователе интерфейса RS485.

Интерфейс  Rs485 применяется  во многих промышленных решения, когда нужна простота, надежность, несколько приборов находятся на одной линии, на большом удалении. Сигнал дифференциальный, подается по двухпроводной линии. Условно принято называть провода линии А и Б. По линии А передается оригинальный сигнал, в линии Б этот сигнал инвертируется. Таким простым методом достигается большая защита от помех, возникающих в не экранированных проводах. Уровень в линии "высокий" 1.5-5Вольт, "низкий" < 1,5В. Cопротивление Rt согласующее, при малом количестве абонентов на линии ставят120Ом.

На вывод Di-подается сигнал, с вывода R0-сигнал принимается. Выводы DE и RE управляют внутри микросхемы приемником и передатчиком. Т как они инверсны обычно их соеденяют вместе. Подавая на них лог. 1 включается передатчик м.схемы, при лог. 0 - приемник. Обвеску  подробнее опишу далее.

Соединение переферийных устройств между собой очень простое:

Главное, правильно подключать шины А к А, В к В. С разноцветными проводами витой пары, это элементарно.

СХЕМА

Схема блока не сложная, с малым количеством дискретных элементов.

-IC1 это стандартная м. схема преобразования сигнала ТТЛ в диф. сигнал с параметрами интерфейса RS-485. Назначее выводов я описал. Рассмотрим, что её окружает:

Сопротивления R2,R3,R4 нужны для согласования линии связи и создания напряжения между выводами А и В  больше 200мВ. Это пороговая чувствительность приемника. Подтянув линию А к питанию, линию Б к земле мы создаем на входе лог.1. т. есть "Стоповый бит". Варисторы R9 и R10 защитные. Сложность этого узла зависит от конкретной прокладки линии. Есть опасность попадания постороннего высокого напряжения на линию, сделайте обвязку более сложной. Как сделать это, в Инете масса хороших профессиональных статей. 

-оптопары ОК1...ОК3 создают гальваническую развязку сигналов. Конечно, можно применить и другие марки, более скоростные. Быстродействия  РС817  хватает для скорости 9600 и 14400bps. Эти скорости проверены в реальной конструкции, специализированной  программой. Прогнав через линию  связи (комп-контроллер-комп) 0,5 млн. байтов, ошибок не было ни одной (скорость 9600bps). При скорости 19200bps появляются спорадические ошибки. Это подтвердило правильность предварительных расчетов. РС817 дешевая, но медленная, быстрее работать не может.

- IC3 стандартная микросхема драйвера  TTL<->RS232. Её назначение преобразовать напряжение с уровнями TTL в напряжение стандарта RS232. 

Обвязка этих микросхем настолько простая и стандартная, что не стоит о ней и писать. Придумывать оригинальное и необычное в этих узлах, это нервы и деньги на ветер.

Для тех, кто хочет более детально изучить работу этих микросхем, в конце статьи выложены даташиты. 

IC2 -это "периферийный драйвер" или матрица из семи транзисторов Дарлингтона. Эта микросхема действительно применена не стандартно. Классически она применяется как усилитель тока и управляет реле, лампочками, моторчиками, индикаторами итд. Там где нагрузка потребляет относительно большой ток. В предложенной схеме её основное назначение это инвертировать сигнал. Привести сигнал в "правильный" вид после прохождения оптопар, а заодно и управлять индикаторными светодиодами. В этом узле можно было применит стандартные логические микросхемы, но мне не нравится нагружать выходы микросхем стандартной логики током  светодиодов. Хотя они это вполне допускают.

Применив микросхему IC2 я избавился от небольшой кучки дискретных элементов, разгрузил выходы остальных микросхем и намного упростил разводку платы.

Узел на м.схеме IC4  это гальваническая развязка питания. Применена проверенная временем и довольно универсальная м.схема МС34063. Этот узел построен как "обратноходовой преобразователь" Такой тип вторичного эл.питания мне нравится своей простотой и крайней непритязательностью. Стабилизирует выходное напряжение м.схема IC5, дешевая и кругом применяемая  LM7805. Ток потребления маленький, применять другой метод стабилизации выходного напряжения не имеет смысла. Применение м. схемы МС34063 в DC/DC преобразователях очень хорошо описано в журнале "Схемотехника" №9 за 2001г, автор Ю.Семенов. Там есть все расчеты и схемы. Используя предложенные им схемы и расчеты, всегда получаю 100% работающие, очень компактные узлы за мин. деньги. 

Раньше доставляли хлопоты трудоемкие расчеты накопительного дросселя (трансформатора). С появлением пакета программ уважаемого Владимира Денисенко  все упростилось до элементарного. За минуты можно подобрать нужный трансформатор и получить готовый результат. Программы выложены В. Денисенко на форуме Радиокота. Находим в закромах или покупаем подходящий сердечник, вставляем в программу необходимые данные и .............изготавливаем трансформатор без проблем и суеты с калькулятором.

У меня был сердечник с готовым зазором, его характеристики и расчет трансформатора (накопительного дросселя) на картинке. 

Для этого узла подойдут и готовые DC/DC преобразователи ,например B1205S или подобные. [7] 

ЖЕЛЕЗО

Для конструкции хорошо подошла коробочка от ненужного ADSL модема. Часть деталей этого модема так же ушла в конструкцию.

При самостоятельной разводке платы не забывайте о цели этой конструкции -это гальваническая развязка. Оставляйте на плате зазор между блоками. 

Киловольтных, посторонних воздействий на линию у меня не будет. Зазор на плате сделан около 5мм, что вполне достаточно.

Трансформатор (накопительный дроссель) применен с заводским зазором. Справочные данные таких сердечников совпадают с реальными на 99%. Рекомендую покупать сердечники с зазором, а не делать его прокладками, которые могут доставить вам проблемы. Конструкции обратноходовых блоков питания неприхотливы, за единственным исключением - трансформатор необходимо выполнить качественно, т.есть аккуратно. Это не сложно, так как витков на катушке мало.

Коробочка от модема большая, проблем с разводкой и установкой деталей не возникло. Микросхемы применил в DIP корпусах, пассивные компоненты частично SMD.  Джампер JP1 для проверки, установите перемычку.Без него конструкция работает только в режиме "прием информации".

Конструкция запитывается от любого внешнего блока питания (адаптера) на 9-15Вольт.

С остальным, даже у начинающего радиолюбителя проблем не возникнет. Микросхемы работают в щадящем режиме, нагрузок больших нет, входная цепь под защитой варисторов, блок питания выдерживает любые издевательства. Стараюсь все проблемы решать на бумаге, а не с паяльником. Конструкция из серии "сделали-работаем". Это то устройство, которое не должно доставлять хлопот и проблем. Их хватит с конструкциями которые оно обслуживает. Конструкция подключена к ПК дешевым переходником RS232-USB стоимостью 1,5$. Удивительно, но факт, сбоев от него нет.

Несколько фотографий готового блока:

В результате блок работает очень хорошо, симпатично подмигивая светодиодами. Разводка платы в архиве.

Графики температур, полученные от самодельного блока автоматики газового котла, через предложенную конструкцию:

Графики (почасовые) уличной температуры. В течении двух суток. Желтый-текущий график, синий-вчерашний. Термометр-актуальная уличная температура.

Загрузка самодельного блока автоматики газового котла оперативными данными от ПК и прием информации о температуре в контрольных точках.

Приведенные выше картинки это лишь часть информации отправляемая/получаемая от самодельного блока домашней автоматики и приведенна ПК в удобный для меня вид. 

.............. 

Обзор предлагаемых фирмами м.схем гальванической развязки поможет в конструировании вам конструкций, где это необходимо и не только стандартных интерфейсов. А на основе обратноходового преобразователя на м. схеме МС34063 получаются сверхминиатюрные, не убиваемые, стабилизированные, копеечные БП вторичного питания с гальванической развязкой и стабилизацией напряжения различного типа.

Предложенная конструкция далеко не идеальна. Но она на 100% выполняет свои функции при копеечной стоимости и это главное. На её примере я хотел показать, что изучая новый для вас раздел электроники, лучше поглубже освоить теорию, готовые решения и самостоятельно разработать авторскую конструкцию/узел на основе прочитанного или провести модернизацию готовых решений. Возможно и наверное это будет не совсем "идеальная" конструкция, но удовольствия от неё будет больше чем от повторения на 100% готового. Хобби это творчество. Для профи это конечно не подходит. Он не будет "изобретать велосипед", но задачи у любителя и профи совершенно различные. Хотя...это далеко не однозначно. И современное развите техники это доказывает.  Я так считаю.

Спасибо за внимание. 

Литература: 

1.Перечень цифровых изоляторов от Analog Devices: https://www.analog.com/ru/products/interface-isolation/isolation/standard-digital-isolators.html

2.Гальваническая развязка интерфейса USB https://www.analog.com/ru/products/interface-isolation/isolation/usb-isolators.html

3. RS-485 / RS-422 https://www.analog.com/ru/products/interface-isolation/rs-232-rs-422-rs-485/interface-rs-485-rs-422.html

4. RS-485 с гальванической изоляцией https://www.analog.com/ru/products/interface-isolation/rs-232-rs-422-rs-485/isolated-rs-485.html

5.Даташит м.схемы ST232  https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/3c/2a/2e/32/bd/b3/42/11/CD00001703.pdf/files/CD00001703.pdf/jcr:content/translations/en.CD00001703.pdf

6. Даташит м.схемы SN75176 https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn75176a.pdf

7. DC/DC конвертер https://www.kosmodrom.com.ua/pdf/B0505S-1W.pdf

8. Журнал схемотехника №9 2001г. https://www.ddrservice.info/download/Journals/Sxemotexnika/2001/st2001_09.djvu.html

9. Журнал Компоненты и технологии №8 2004 "Интерфейс RS485 с гальванической развязкой от Analog Devices"

10. Рекомендации Analog Devices (англ.)  https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-727.pdf

11. Статья "Обрежьте жирок с RS-485" https://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs485/power.htm

12. Статья " RS-485 для чайников" https://masters.donntu.org/2004/fema/kovalenko/library/art7.html

13. Цифровые схемы гальванической развязки от SiLabs https://biakom.com/biapics/news/2010-08-02/biakom_2007_3_1.pdf

14. Описание стандарта RS485 https://studfiles.net/preview/880815/

15. Изоляторы Rhopoint Components Ltd (IL800T Series DC Correct high speed digital isolator)  https://www.rhopointcomponents.com/components/digital-isolators/active-input-isolators/single-channel-digital-isolator-15195.html

Файлы:
RS485

Все вопросы в Форум.