Средства и методы разработки

[Универсальная проводная шина для задач "распределенный PLC"]. Одна витая пара, дуплекс, до 100 Кбит/сек, гальваническая развязка на оптронах, дешево. 

Задача

Создать стандарт шины для задач класса "распределенный PLC" со временем реакции от 10 мс и более.

- Один master, остальные slave. Весь обмен только master <-> slave, slave <-> slave нет

- Не экранированная витая пара ~100м, меньше для более высоких скоростей, больше для меньших. Волновое сопротивление какое-то, не так важно.

- скорость 20-200 кбит/сек, дуплекс

- устройств 8...16... на крайняк можно попробовать 32, но это ближе к нижней границы скорости

- гальваническая развязка для slave с проходной емкостью не более 1 пф по возможности

- master не имеет гальванической развязки от витой пары, но может иметь гальваническую развязку своего питания и собственных каналов связи

- защита от попадания потенциала +-50В на любой провод.

- питание на slave подается отдельным от шины способом.

- полярность пары важна.

- slave должен быть простым

- дешевизна, но не в ущерб надежности и параметрам.

Структурно-функциональная схема master

- описано от источника питания к земле

- источник питания 12В (от 5В не получится, немало потерь на элементах защиты. Можно отказаться от них, но стремно вытаскивать неразвязанную пару без защиты)

- генератор вытекающего тока 100 мА с малым падением в режиме отсутствия ограничения тока, P FET с малой емкостью + быстрый операционник

- защитный диод от вдувания тока

- мост на 4х полевиках, P+N FET. За счет генератора тока управление может быть простым - кратковременное КЗ ни к чему не приведет

- витая пара включена в диагональ моста, мост выдает либо одну полярность, либо другую

- защитный диод, чтобы ток в землю только тек, но не вытекал

- генератор втекающего тока на 100 мА, это защита если на один провод пары подадут потенциал относительно земли master

- резистор генератора втекающего тока идет на компаратор, которые имеет порог 20 ма.

- защита от импульсов и перенапряжений: - TVS малоемкостные на землю из каждого провода и между проводами, защитные резисторы, полифьюзы

- защита от EMI: от моста - синфазный дроссель, 100 пф между проводами пары, 2-3 ферритовые бусины в каждый провод на разные диапазоны [у TI подсмотрел последовательное включение бусин для расширения полосы подавления]

Структурно-функциональная схема slave

- части схемы имеют защитные диоды, защищающие от обратной полярности.

- оптрон RX - принимает ток из линии в полярности "+" и выдает сигнал на выходе, если ток есть. Оптрон с цифровым выходом, достаточно быстрый, чтобы вносить малые искажения в ширину импульса. Локальный токозадающий резистор, чтобы из линии отжирать не более 2 мА.

- оптрон TX - его зажигает slave от своей гальванически развязанной схемы. Оптрон работает при полярности "-" на линии, он имеет усилитель-ограничитель тока, чтобы при наличии света эта часть потребляла из линии 25 ма в сумме, если полярность "-".

Общий алгоритм работы master.

- если в линии "+", то оптроны RX светятся, передавая информацию всем slave одновременно

- если в линии "-", то RX не светит, а ток в линию выдает только какой-то один TX, или сбой.

- при помощи моста выдает на линию импульс в полярности + со следующей длительностью:

= t, если он хочет передать в линию 0

= 1.5t, если он хочет передать 1

= 3t, если хочет передать маркер

- выдаваемый при помощи моста импульс полярности "-" всегда имеет длительность t.

- делается засечка состояние компаратора в момент 2/3t от переднего фронта импульса "-". 20 мА - slave передал 1, иначе 0

- можно сделать второй порог компаратора - типа у нас случилась коллизия и передали несколько slave.

Общий алгоритм работы slave. Тонкости.

- разумным пределом выглядит t = 5мкс

- оптрон RX имеет малые задержки и длительности импульсов такой длины искажает слабо.

- как только slave принял передний фронт импульса "+", он с задержкой 2/3t начинает светить TX, не дожидаясь окончания импульса master. Светит, если хочет передать 1, и не светит, чтобы передать 0

- как только slave принял задний фронт "+", т.е. на линии передний фронт "-", он продолжает светить TX до момента 3/4t, после чего гасит.

- на линии 1/4t продолжает оставаться "-", выходной транзистор в TX успеет рассосаться - у предложенных оптронов гарантированное время любого фронта при нагрузке в килоомы и напряжении питания 10В не более 1мкс во всем диапазоне температур.

- когда slave заранее поджигает TX, это позволяет заранее "разогнать" светодиод и фотодиод. И хотя смещения для протекания тока пробоя фотодиода нет, чуток времени съэкономится.

- как только линия переключилась в "-", у нас уже все готово, и за 1 мкс гарантированно генератор тока 25 ма выйдет на режим

- если снять "-" одновременно со "снятием света" в TX, то непонятно, за счет чего будет рассасываться открытый транзистор. Именно за этим 1/4t тратится на рассасывание транзистора при штатном питании.

- можно попробовать взять оптопару с выводом базы фототранзистора, и сделать принудительную цепь его рассасывания. Но это плохая идея - оптопары в пределах одной серии, у которых есть вывод базы, имеют на порядок меньшую устойчивость к синфазным импульсам, чем другие оптроны из той же серии, но без вывода базы.

- есть уникальные оптроны с полевиком на входе H11F, там все проще, но гарантированный фронт там 45 мкс, а это пахнет уже 10 кбит дуплекса, что, впрочем, тоже много где надо. Алгоритмы будут чуть проще.

- выбранные оптроны имеют устойчивость к синфазным импульсам минимум 15kV/µs, типовое 40kV/µs, так что можно мониторить полевики в силовом мосте :)

Компоненты

Master

* TSX9291ILT - op amp для генератора тока. 16V, RRIO, 27 V/μs, 16MHz GBW, SOT-23-5 3000 - $0.45, 100 - $0.73

* TSX9292IST - сдвоенный op amp для генератора тока. 16V, RRIO, 27 V/μs, 16MHz GBW, General Purpose Amplifier 2 Circuit Rail-to-Rail 8-MiniSO 4000 - $0.57, 100 - $0.92

* регулирующий элемент генератора тока

BSP315PH6327XTSA1 MOSFET P-CH 60V 1.17A SOT-223 1000 - $0.30

ISP75DP06LMXTSA1 MOSFET P-CH 60V SOT223-4 1000 - $0.21

FDT458P MOSFET P-CH 30V 3.4A SOT-223 4000 - $0.21

ZVP2106GTA MOSFET P-CH 60V 450MA SOT223 1000 - $0.44

* DMC3400SDW-7 - FET для моста. MOSFET N/P-CH 30V SOT363 3000 - $0.07

* MC14049UBDTR2G - "драйвер" полевиков - IC INVERTER 6CH 6-INP 16TSSOP 2500 - $0.15

* IX4428MTR Low-Side Gate Driver IC Inverting, Non-Inverting 8-DFN (3x3) 2000 - $0.39

Slave

* TLP2710(TP4,E RX оптрон, Logic Output Optoisolator 5MBd Push-Pull, Totem Pole 5000Vrms 1 Channel 25kV/µs CMTI 6-SO 1500 - $0.55

* HCPL0453R2 TX оптрон, Optoisolator Transistor Output 2500Vrms 1 Channel 8-SOIC, 2500 - $0.74

* HCPL-0453-500E TX оптрон, Optoisolator Transistor Output 3750Vrms 1 Channel 8-SO, 1500 - $0.83

* ACNT-H50L-500E TX оптрон, Optoisolator Transistor Output 7500Vrms 1 Channel 8-SO Stretched 1000 - $2.04

* ACNT-H511-500E TX оптрон, Optoisolator Transistor Output 7500Vrms 1 Channel 8-SO Stretched 2000 - $1.96

* H11F3SR2M альтернативный TX оптрон с полевиком на выходе, Optoisolator MOSFET Output 7500Vpk 1 Channel 6-SMD 1000 - $1.37

* H11F1SR2M альтернативный TX оптрон с полевиком на выходе, Optoisolator MOSFET Output 7500Vpk 1 Channel 6-SMD 1000 - $1.52

Примечания.

У меня есть продуманный концепт шины "данные + питание по одной паре" с такой же схемой кодирования - переменная длительность бита и разделение времени для master и slave, фронт (передний или задний) является маркером начала отсчета фиксированного окна для ответа slave.

Красиво, но сложновато и дороже.

Вариант "питание отдельно от данных" сильно более универсальный, а кабель стоит слишком дешево (простые марки), чтобы страдать херней.

Я примерно год думал, как упростить, и вот на завершающейся неделе меня озарила вспышка.

Эту шину я продумывал несколько лет, это одна из самых важных моих концептуальных идей.

Точную схемотехнику не привожу, нужно макетировать, много тонкостей, надо более тщательно подобрать оптроны под задачу. Возможно, можно обойтись без идеи перекрытия временных интервалов, хватит только запаса времени на рассасывание.

Приведен вариант комплектации, рассчитанный на максимальную скорость. Можно взять более дешевые оптроны с кратной потерей скорости.

"Модем" slave скорее всего придется делать программно на дешевом мелком ARM. На master просится мелкая FPGA GOWIN. Это совсем дешево.

20005768a.pdf

acnt-h511-ds103.pdf

av02-1392en_ds_hcpl-4502_2013-12-09.pdf

dmc3400sdw.pdf

en.dm00082871.pdf

h11f3m-d.pdf

fdt458p-d.pdf

hcpl0534-d.pdf

infineon-bsp315p-ds-v01_07-en.pdf

infineon-isp75dp06lm-ds-v02_00-en.pdf

ix4426-27-28.pdf

mc14049ub-d.pdf

pub-005239_2019-03-05.pdf

tlp2710_datasheet_en_20180309.pdf

zvp2106g.pdf