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.