Разработка узла бесконтактной передачи информации, Частотное детектирование + общая критика Опции

[Stepanich]

Здравствуйте.

Разрабатывается узел бесконтактной передачи информации. Узел представляет собой две пластины, расположенные друг напротив друга на расстоянии около 0,5 мм. Одна пластина закреплена неподвижно, вторая - вращается относительно первой. Задача обеспечить двунаправленную передачу цифровых сигналов с одной стороны на другую. Параметры следующие.
- скорость передачи: не менее 500 кбит/с;
- количество каналов на стационарной стороне: 2 принимающих, 1 передающий;
- ёмкость каждого канала: не более 10 пФ;
- потребление: не более 0,5 Вт;
- устойчивость к синфазным помехам.

Были рассмотрены способы, применённые фирмами Texas Instruments и Silicon Labs.
Выбор был сделан на решении фирмы Silicon Labs: использование непрерывной модуляции должно обеспечивать большую помехозащищённость в сравнении с кодированием перехода уровня сигнала:


Была разработана модель узла (прикладываю со всеми внешними файлами):
 Isolator_21.08.2018.rar ( 5.44 килобайт ) Кол-во скачиваний: 11



В качестве формирователя несущей предполагается использование осцилляторов с LVDS выходом (Abracon, Epson и т. п.); в качестве ключей - аналоговые SPST или SPDT ключи. Оба эти элемента в модели заменены на идеальные.
Ёмкость между пластинами в модели задана конденсаторами Cdiff. Модулирующий сигнал (собственно, который нужно передать) поступает на ключи, коммутирующие в/ч несущую (150...250 МГц) на усилитель и изоляционный барьер. С выхода изоляционного барьера сигнал поступает на преобразователь дифф. сигнала в униполярный, затем усредняется и поступает на компаратор, восстанавливающий исходный (модулирующий сигнал). Сейчас основная проблема в том, что длительность восстановленного сигнала искажается при изменении ёмкости изолирующего барьера (приведены диаграммы для ёмкости 10 пФ и 100 пФ):


Это связано с изменением уровня входного сигнала на компараторе и несимметричности постоянной времени нарастания и спада сигнала, формируемого узлом усреднения (AVERAGING). Да и сам узел AVERAGING является неэффективным по входному току. Хочется выработать для данного узла решение, устраняющее эти недостатки (например, частный детектор).

Итак вопросы:
- как можно решить проблему искажения выходных сигналов при изменении ёмкости барьера?
- на что ещё обратить внимание в решении задачи создания цифрового изолятора (критика остальной части схемы)?

Спасибо.

[Plain]

Одна пластина закреплена неподвижно, вторая - вращается относительно первой ... каналов на стационарной стороне: 2 принимающих, 1 передающий ... устойчивость к синфазным помехам

Итого 12 обкладок, а сейчас только две — может проще применить избыточное кодирование и все каналы засунуть в один?

[x893]

Или поставить в центре по светодиоду и передавать светом.

[Aner]

Думаю не очень светодиодом. Похоже на проект очередного вывода видеокартинки на вращающееся колесо. При скорости передачи не менее 500 кбит/с проще поставить трансивер, той же компании Silabs, например Si4468 или другие аналоги. И забыть про все попутные проблемы передачи другими методами. В потребление уложиться с запасом можно.

[_4afc_]

- ёмкость каждого канала: не более 10 пФ;
- количество каналов на стационарной стороне: 2 принимающих, 1 передающий;
- устойчивость к синфазным помехам.

т.е вы хотите разместить 6 вложенных колец по 10 пФ. Вы это вообще рисовали?

Даже два кольца сложно будет разместить с одинаковой площадью друг в друга.
Причём помеха на внешнее кольцо, вроде, больше влияет.

Так что думайте насчёт одного полудуплексного канала.

Были рассмотрены способы, применённые фирмами Texas Instruments и Silicon Labs.
Выбор был сделан на решении фирмы Silicon Labs: использование непрерывной модуляции должно обеспечивать большую помехозащищённость в сравнении с кодированием перехода уровня сигнала

Ну и зря. Ненужна там никакая модуляция вообще. Просто передавайте сразу цифровые данные. Лучше закодируйте их чем-то типа БЧХ и синхру хорошую добавьте для организации временного разделения.

В качестве формирователя несущей предполагается использование осцилляторов с LVDS выходом (Abracon, Epson и т. п.); в качестве ключей - аналоговые SPST или SPDT ключи. Оба эти элемента в модели заменены на идеальные.
Ёмкость между пластинами в модели задана конденсаторами Cdiff. Модулирующий сигнал (собственно, который нужно передать) поступает на ключи, коммутирующие в/ч несущую (150...250 МГц) на усилитель и изоляционный барьер.

Зачем всё это??? У меня 74LVC2G125 прекрасно передаёт 15Мбит канальных на несколько сантиметров.

Это связано с изменением уровня входного сигнала на компараторе и несимметричности постоянной времени нарастания и спада сигнала, формируемого узлом усреднения (AVERAGING).

Не замечал чтобы фронты зависили от ёмкости барьера, уровень - да.
Может потому, что кодировал передачу данных манчестером и количество нулей и единиц в сообщении было постоянным.

С выхода изоляционного барьера сигнал поступает на преобразователь дифф. сигнала в униполярный

И вот AD8009 справится с сигналом 250МГц при 200к на входе?

- потребление: не более 0,5 Вт;

90мВт во время приёма данных, и то из-за АРУ.

[Stepanich]

Всем доброго дня и спасибо за участие.

1. Ни светодиоды, ни радиоканал использовать нельзя.
2. Не знаю, что такое вывод изображения на колесо. В любом случае, это не относится к изображению. Это является частью системы бесконтактной передачи энергии (вращающийся трансформатор) и информации - замена колец-щёток.
3. На входе AD8009 не 200 кОм, а выходное сопротивление ПДУ. Если в модели 200 кОм заменить на 200 Ом, картина не меняется:

4. От ёмкости зависит амплитуда выпрямленного сигнала, поэтому при фиксированном пороге компаратора длительность выходного сигнала не стабильна.
5. Униполярная передача сигнала не подходит: земли у неподвижной и вращающейся пластин не объединены, нужна именно дифф. передача.
6. Передавать сразу цифровые данные нельзя, т. к. это не 8b10, а дискретные сигналы, где уровень "1" может быть бесконечно долгим.
7. Шесть колец, образующие указанную ёмкость, успешно размещены на пластинах.

[_pv]

Разделите ВЧ и НЧ как в изоляторах от TI. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso7421-ep.pdf
Фронты передаются напрямую как plain нарисовал, только дифференциально если синфазных помех боитесь. А чтобы случайно не потерять состояние выхода после продолжительного простоя, по второму каналу ШИМом - состояние по DC.

По картинке изменение длительности импульсов при изменении ёмкости всего десяток нс, вам зачем столько для передачи 500кбит/с потока?

Ещё можно взять езернет phy, только c MII (а не RMII, там надо думать что с клоками делать), lan8710 какой-нибудь.
Если ему зажать навсегда TXEN, тогда то что подано ножки TXD[3:0] само будет сериализовано, пропущено через 8b10b и через 40нс вылезет с другой стороны на ножках RXD, сразу 4 канала.
40нс джиттера для 500кбит/с канала тоже не проблема.
А если хотите через этот канал ШИМ передавать, то джиттер в отличии от вашей схемы в среднем испортить скважность не должен.

[Stepanich]

_pv, решение, как у TI хорошо, когда оно реализовано на одном на кристалле: тамошний конечный автомат не так-то просто создать на дискретных элементах. По крайней мере, для меня это проблематично.

Применение EPHY - очень интересное предложение, но боюсь, емкость линии слишком мала для обеспечения нормальной связи. Типовая ёмкость начинается с нФ:



Ёмкости в 10 пФ будет недостаточно для передачи таких длительностей на терминацию в десятки Ом:


Но если увеличить величину терминации до 10кОм, сигнал пролезает:


Пока не знаю, можно ли будет подавать этот сигнал напрямую на PHY, или его нужно будет буферизировать тем же ПДУ.

[_pv]

_pv, решение, как у TI хорошо, когда оно реализовано на одном на кристалле: тамошний конечный автомат не так-то просто создать на дискретных элементах. По крайней мере, для меня это проблематично.

дарю ещё одну дурацкую идею -

взять готовую микросхему от TI и распилить пополам/стравить корпус

у езернета десятки нФ на картинках это для замены трансформаторной развязки т.е. для работы ещё на 100м кабеля после.
если у вас расстояния - сантиметры, всё куда проще.

у cat5 витой пары длиной 100м, где езернет ещё вполне работает, insertion loss больше 13дБ на 30МГц (максимальная частота после mlt-3).
10пФ на 30МГц по сравнению со 100Ом импеданса сделает не хуже, а на более высоких частотах только лучше.

и это можно легко проверить принеся в жертву небольшой короткий патчкорд, разрезать его, запаять 10пФ последовательно и посмотреть будет ли связь или нет.
или вообще просто к вашей емкостной развязке подключить.

ну и с согласованием потом ещё пошаманить можно, вообще убрав его с приёмной стороны, оставив 10кОм, раз расстояния совсем небольшие.

[Stepanich]

_pv, остановлюсь на предложенном вами варианте с EPHY. Тем более, что для кодирования трёх-восьми линий потребуется всего лишь две пары емкостей на пластинах. Остались вопросы (это можно исследовать в живую, но возможно, кто-то скажет с ходу):
- какое время требуется для установления связи между PHY?
- в какое состояние переключаются выходы PHY при потере связи с партнёром?
- на что обратить внимание при выборе PHY для подобного нестандартного включения?

[Plain]

не менее 500 кбит/с ... несущую (150...250 МГц)

дискретные сигналы, где уровень "1" может быть бесконечно долгим

Урежьте осетра до вышепредложенных 10 МГц и кодируйте передаваемые сигналы, например, ШИМ — тогда всё реализуется парой заурядных логических элементов.

[_4afc_]

4. От ёмкости зависит амплитуда выпрямленного сигнала, поэтому при фиксированном пороге компаратора длительность выходного сигнала не стабильна.

Возьмите любой другой вид кодирования сигнала с постоянной амплитудой, а на приёмнике поставьте АРУ, а уже за ним пороги и декодеры.
ЧМ, ФМ, ШИМ...

5. Униполярная передача сигнала не подходит: земли у неподвижной и вращающейся пластин не объединены, нужна именно дифф. передача.

И что манчестер нельзя передать дифференциально на скорости 500кбит?

6. Передавать сразу цифровые данные нельзя, т. к. это не 8b10, а дискретные сигналы, где уровень "1" может быть бесконечно долгим.

LMH6552 поставить можно, а микроконтроллер с ком портом нет?

[_pv]

- какое время требуется для установления связи между PHY?
- в какое состояние переключаются выходы PHY при потере связи с партнёром?
- на что обратить внимание при выборе PHY для подобного нестандартного включения?

1) да не устанавливается там связь как таковая, если без autonegotiation сконфигурировать phy (подтяжками в момент включения) в определённый режим 100FullDuplex например, то вроде сразу должен начинать слать.
ему без разницы услышит его кто или нет.
2) станет неактивным RXDV и CRS, а что на выходах будет - надо даташит смотреть, возможно в нуле останутся.

[Stepanich]

Возьмите любой другой вид кодирования сигнала с постоянной амплитудой, а на приёмнике поставьте АРУ, а уже за ним пороги и декодеры.
ЧМ, ФМ, ШИМ...

Не могли бы вы порекомендовать источник, где можно почитать о подобной реализации? Или рассказать чуть подробнее о предлагаемых способах. Я не спец. в методах радиосвязи, а это, я так понимаю, оттуда (детектор огибающей, промежуточная частота и т. д.)

LMH6552 поставить можно, а микроконтроллер с ком портом нет?

да, должна быть использована жёсткая логика, без ЭППЗУ.

Урежьте осетра до вышепредложенных 10 МГц и кодируйте передаваемые сигналы, например, ШИМ — тогда всё реализуется парой заурядных логических элементов.

Вы имеете в виду: на передающей стороне преобразователь напряжение - скважность, на приёмной - скважность - напряжение?

1) да не устанавливается там связь как таковая, если без autonegotiation сконфигурировать phy (подтяжками в момент включения) в определённый режим 100FullDuplex например, то вроде сразу должен начинать слать.
ему без разницы услышит его кто или нет.

В документации присутствует описание процесса линковки (короткий одиночный импульс). Я так понимаю, что даже если режимы работы заданы жёстко, сначала и при каждом обрыве связи запускается процесс линковки?

2) станет неактивным RXDV и CRS, а что на выходах будет - надо даташит смотреть, возможно в нуле останутся.

Понял, спасибо. Т. е. на всякий случай, можно использовать объединять RXDV и CRS с выходными сигналами по "И".

Решил добить исходное решение:


Теперь дрожание фронта составляет 7 нс и то с одной стороны. Идея - отказ от выпрямителя и схемы усреднения и переход на ВПС с пороговым элементом. Далее - только цифра. RS триггер планирую заменить на счётчик MC74AC4040, для увеличения помехозащищённости за счёт работы со вторым-третьим разрядом.

[Voblin]

А почему Вы не рассматриваете индуктивную связь? С одной стороны катушка, с другой стороны соосно катушка, чем выше частота, тем меньше катушки.

Катушки могут быть и плоские печатные.

[_4afc_]

Не могли бы вы порекомендовать источник, где можно почитать о подобной реализации?
Или рассказать чуть подробнее о предлагаемых способах.
Я не спец. в методах радиосвязи, а это, я так понимаю, оттуда (детектор огибающей, промежуточная частота и т. д.)

Нет, это не оттуда. Огибающей быть не должно. Она должна быть константой. Модуль сигнала должен быть постоянен.

Что почитать - не подскажу.

да, должна быть использована жёсткая логика, без ЭППЗУ.

Возьмите скремблер длинный на частоте 10х к вашему сигналу. Подайте на него свой сигнал. Не будет длинных нулей, единиц.

Вы имеете в виду: на передающей стороне преобразователь напряжение - скважность, на приёмной - скважность - напряжение?

Да. Это должно вам помочь.

[Plain]

на передающей стороне преобразователь напряжение - скважность, на приёмной - скважность - напряжение?

Да, но проблема данной темы в до сих пор не озвученной в ней некоей помехе. Пример тепличных условий:

[Plain]

Так получше:

[Stepanich]

А почему Вы не рассматриваете индуктивную связь? С одной стороны катушка, с другой стороны соосно катушка, чем выше частота, тем меньше катушки.

Катушки могут быть и плоские печатные.

Voblin, рассматривал. Аналогия с icoupler от Anakog Devices.
1. На наших расстояниях (0,5 мм) будет плохой коэффициент связи.
2. Защиту от магнитных помех реализовать сложнее, чем от электрических.
3. Сложнее создать драйвер индуктивной нагрузки.

Так получше:

Добавил синфазную помеху в свою схему:


При уровне помехи до 14 В сигнал передаётся. При уровне помехи более 14 В сигнал не передаётся.

[Plain]

Вопрос был, какая она в ТЗ указана.

[Lerk]

Voblin, рассматривал. Аналогия с icoupler от Anakog Devices.
1. На наших расстояниях (0,5 мм) будет плохой коэффициент связи.
2. Защиту от магнитных помех реализовать сложнее, чем от электрических.
3. Сложнее создать драйвер индуктивной нагрузки.

1. При поддержании отношения D/h > 3 там все хорошо, D- диаметр, h- расстояние между катушками.
2. Не факт
3. Не факт
В вашем применении сложнее всего было бы изолировать передачу данных по одному индуктивному каналу от другого(и от передачи питания), т.к. при вращающихся парах плоские трансформаторы будут либо вложенными, либо будет временное разделение передачи/приёма. Короче свои нюансы, но не те, что вы указали.

[Stepanich]

Вопрос был, какая она в ТЗ указана.

Узел передачи энергии состоит из вращающегося трансформатора, драйвера и выпрямителя 48 В -> 48 В. Пока не известно, будут ли объединены земли.

1. При поддержании отношения D/h > 3 там все хорошо, D- диаметр, h- расстояние между катушками.

Т. е. коэффициент связи хотя бы 0,9?

2. Не факт

Электрическое поле полностью подавляется тонкой медной фольгой. Для подавления магнитных помех эта фольга ничего не даст. Тут важна и толщина, и тип материала (пермаллой, сталь и т. п.).

3. Не факт
В вашем применении сложнее всего было бы изолировать передачу данных по одному индуктивному каналу от другого(и от передачи питания), т.к. при вращающихся парах плоские трансформаторы будут либо вложенными, либо будет временное разделение передачи/приёма. Короче свои нюансы, но не те, что вы указали.

Согласен.

[Lerk]

Т. е. коэффициент связи хотя бы 0,9?


Электрическое поле полностью подавляется тонкой медной фольгой. Для подавления магнитных помех эта фольга ничего не даст. Тут важна и толщина, и тип материала (пермаллой, сталь и т. п.).

k зависит от множества параметров, и указанное мною отношение - далеко не единственный из них На практике для передачи сигнала вы можете работать и с k=0,3, просто это несколько усложняет детекцию и снижает помехоустойчивость(либо дает увеличение потребления энергии). Гораздо более важно k при передаче энергии.

Магнитные помехи это не какое то шаманство, все считается по формулкам. Если у вас огромная вращающаяся пара, то, вероятно, могут быть сложности. А еще могут быть сложности с тем, чтобы конструктивные материалы пары не гасили магнитное поле, но раз у вас энергия по трансу гонится, значит с этим уже разобрались