При подключении удаленных устройств, таких, например, как датчики, разработчики иногда сталкиваются с недостаточным количеством проводов и/или с ценовыми ограничениями. Но со многими устройствами можно обмениваться по линиям питания переменного или постоянного тока, используя амплитудную или частотную модуляцию.
Однако такие конструкции, как правило, дороги. В этой схеме предложен простой и дешевый способ отправки данных по тому же проводу, который используется для подачи питания. Он основан на модуляции тока от удаленного устройства обратно к хосту. Ниже на примере будет показано, что хост также может модулировать напряжение на ведомом устройстве. Хост декодирует данные, воспринимая изменения тока на ведомом устройстве и восстанавливая данные с помощью аналогового компаратора. Схема немного снижает напряжение питания удаленного устройства, что для большинства приложений несущественно.
Данные, отправляемые удаленным микроконтроллером, формируются током его выходного порта, текущим в землю через последовательный резистор. Сопротивление резистора выбирается на основании расчета максимального тока, необходимого удаленной схеме, и с учетом простоты измерения с помощью показанной схемы с токоизмерительным резистором (Рисунок 1). Разработчики должны убедиться, что нормальная работа ведомого устройства не вызывает колебаний тока, которые могут интерпретироваться как данные, или же эти колебания должны фильтроваться (поясняется позже). Иногда может потребоваться гистерезис, который можно добавить с помощью небольшой положительной обратной связи.
В схеме восстановления на Рисунке 1 используется один компаратор, который определяет величину тока, проходящего через токоизмерительный резистор. Если используется UART, например, имеющийся в 8-разрядном микроконтроллере COP984, компаратор конфигурируется так, чтобы биту данных соответствовал низкий логический уровень на его выходе. Порог компаратора смещен делителем R2/R3, поэтому во время нормальной работы без потока данных выход компаратора имеет стабильный высокий логический уровень. Когда с удаленного устройства отправляется стартовый бит, хост воспринимает увеличение тока, и компаратор подает низкий логический уровень на UART хоста или другое устройство восстановления данных. При отсутствии потока выходных данных выход удаленного устройства отключен и не потребляет ток.
 |
|
| Рисунок 1. | Работа этой схемы восстановления основана на модуляции тока от удаленного устройства обратно к хосту. Здесь один компаратор измеряет величину тока, проходящего через токоизмерительный резистор. |
В схеме на Рисунке 1 используется компаратор LMC7211. Эта микросхема была выбрана потому, что, в отличие от традиционных компараторов, диапазон входных синфазных сигналов включает напряжение положительной шины питания. Это необходимо при измерении напряжения близкого или равного потенциалу положительной шины. Другими причинами выбора этой микросхемы являются ее низкое рабочее напряжение (до 2.7 В), двухтактный выход (не требует резистора подтяжки) и очень маленький корпус SOT23-5.
Эта реализация схемы была оптимизирована для общей токовой нагрузки ведомого устройства, равной 9 мА. Резисторами R2 и R3 опорное напряжение компаратора установлено равным 4.84 В. При значении VIN, равном 5.0 В, за счет падения напряжения на шунте R1 напряжение на неинвертирующем входе компаратора будет равно 4.7 В при отсутствии сигнала от микроконтроллера (высокий уровень) или 4.77 В при наличии сигнала.
Многие микроконтроллеры будут нормально работать при напряжении до 2.5 В. В этом примере напряжение ведомого устройства будет оставаться в пределах 5% от 5-вольтового напряжения питания VCC, если работа ведомого устройства не сопровождается значительными изменениями нагрузки. При выборе сопротивления резистора, смещающего порог компаратора, разработчики должны учитывать минимальный и максимальный токи ведомого устройства, а также изменения тока, создаваемые внутренней работой микроконтроллера.
С этой схемой ток ведомого устройства может изменяться от 6 мА до 10 мА без существенного влияния на ее работу. Изменения тока в более широких пределах могут потребовать увеличения сопротивления шунта R1 (и, следовательно, большего падения напряжения VCC), а также соответствующего изменения сопротивления резистора R2, задающего опорное напряжение. Быстрые переходные изменения тока могут быть отфильтрованы путем добавления гистерезиса с помощью резистора положительной обратной связи (RH = 47 кОм) и/или путем добавления фильтрующего конденсатора (C1 емкостью 0.1 мкФ), включенного между неинвертирующим входом и землей. Конденсаторы развязки по питанию VCC ведомого устройства должны быть тщательно подобраны, чтобы гарантировать, что общая емкость не искажает относительно медленную модуляцию тока. Емкость 1 мкФ ограничит скорость обмена данными примерно до 10 кбит/с.
В некоторых приложениях нормальная работа ведомых схем может нарушаться в условиях помех по питанию VCC, создаваемых модулятором. С этим можно столкнуться в ситуациях, когда ток ведомого устройства, в котором используются аналоговые блоки, изменяется в широком диапазоне. В таких случаях можно использовать источник опорного напряжения (например, LM4040/4041), если требуемый ток ограничен, или LDO регулятор LP2951, если требуется ток до 100 мА (LP2952 или LP2960 для токов до 0.5 А). Эта микросхема регулятора способна вырабатывать стабильное напряжение, которое на несколько сотен милливольт ниже самого низкого напряжения ведомого устройства, или обеспечивать стандартные фиксированные напряжения 3.0, 3.3, 4.1 В и т. д.
Времена задержек микросхем LMC7211 и LMC677 позволяют использовать их на скоростях примерно до 128 кбит/с, в зависимости от емкости конденсатора, требуемой на стороне подчиненного устройства. Для более высокочастотных приложений можно использовать более быстрое устройство. Кроме того, схему, показанную на Рисунке 1, можно использовать при работе с источником питания 3 В.
Также может быть реализована двунаправленная схема путем модуляции напряжения от хоста к ведомому устройству и модуляции тока от ведомого устройства обратно к хосту. Такая конструкция для обеспечения достаточного запаса может потребовать более широкого диапазона изменения напряжения на ведомом устройстве. Схема восстановления для ведомого устройства может использовать один и тот же компаратор. В этом случае, однако, компаратор отслеживает абсолютное изменение напряжения, поступающего от хоста.
В другой конфигурации модулировать напряжение от хоста к ведомому устройству может простой делитель напряжения R1/R4 (Рисунок 2). Ведомая схема просто сравнивает подаваемое напряжение с напряжением, хранящимся на конденсаторе C2. Постоянная времени C2/R8/R9 устанавливается такой, чтобы она была намного больше длительности передачи восьми бит, гарантируя стабильность уровня опорного напряжения для этой наихудшей ситуации. Когда хост отправляет бит, напряжение на входе ведомого устройства благодаря резистору R4 понижается, и компаратор ведомого устройства передает низкий логический уровень обратно на свой UART или другое принимающее устройство. Естественно, хост увидит, что переданные им данные возвращаются в его схему восстановления. Обычно это игнорируется или может использоваться для проверки ошибок (сравнения переданных данных с полученными).
 |
|
| Рисунок 2. | Простой делитель напряжения R1/R4 модулирует напряжение от хоста к ведомому устройству. Ведомая схема сравнивает подаваемое напряжение с напряжением, хранящимся на конденсаторе C2. |
Эти решения предназначены для использования в качестве основы для схемы, которая будет работать в конкретной системе. Хотя для конкретного проекта они могут быть неоптимальными, использование разработчиками описанных здесь концепций и вариантов может помочь им в реализации этой чрезвычайно компактной и недорогой коммуникационной схемы с отличными результатами.
