Одновибраторный компенсатор искажений импульсных сигналов, создаваемых погонной емкостью линии интерфейса lwire
SINGLE-VIBRATOR COMPENSATOR FOR DISTORTION OF PULSE SIGNALS GENERATED BY THE UNIT-LENGTH CAPACITANCE OF THE 1WIRE INTERFACE LINE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной преобразовательной технике, а именно к средствам повышения максимального расстояния проводной линии цифрового интерфейса lwire, а также может использоваться в различных областях производственной деятельности.
Известны устройства разделения сигнала интерфейса lwire с целью увеличения максимального расстояния от источника информации до потребителя. Эти устройства содержат схемы формирования, кодировки и преобразования с использованием микроконтроллеров, микропроцессоров и компьютеров.
Однако известные устройства обладают следующими недостатками: они реализованы в виде специальных микросхем, печатных плат, и т.п. изделий электроники; они занимают место, имеют вероятность физического износа и поломок.
Существует много способов перевода интерфейса lwire в другой тип интерфейса, например, rs485, с целью увеличения максимального расстояния для получения информации. Стоимость преобразующих устройств, и, обязательно, сопутствующее им программное обеспечение значительно увеличивает стоимость получения информации от объектов, и как следствие, цену общей системы сбора данных.
Из известных аналогичных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство (прототип), реализованное по схеме «восстановления импульсных сигналов интерфейса lwire» [1]. На фигуре 1 представлена схема прототипа. Она состоит из двух ключевых транзисторов T1, Т2, элементов формирования режимов - резисторы R1, R2, R3 и конденсатор С1. Для защиты от импульсных помех используются диод D1 и конденсатор С2.
Особенностью формирования сигналов интерфейса lwire является использование электронных ключей замыкания на «общий» провод уровня логического сигнала «единица» как на стороне «мастера» (ведущий), так и на стороне «slave» (ведомый). Электронные ключи обеспечивают сопротивление замыкания менее 100 Ом, что формирует крутой фронт импульса. Сигнал возвращается к исходному уровню со значительно меньшим током, через резистор R1, как показано на фигуре 2. Таким образом, возникает большее влияние погонной емкости линии по сравнению с другими мешающими факторами. Имеем формирование логического нуля через 100 Ом, а формирование логической единицы через 4.7 кОм, как рекомендуется в документации на интерфейс и изделия lwire [2].
Искажения сигналов при разных значениях погонной емкости кабеля приведено на фигуре 3. В интерфейсе lwire сигнал бита единицы передается отрицательным импульсом длительностью не более 15 мкс, и сигнал бита нуля не менее 45 микросекунд, что обозначено на фигуре 3 как Тбит = 1/0. Для передачи бита нуля ошибка при «затягивании» сигнала от погонной емкости решающим устройством не воспринимается. Если информационный сигнал бита единицы исказится (формируется задержка фронта по экспонентной зависимости) от погонной емкости, то на приеме он может определиться как бит нуля, и тем самым сформируется ошибка. Данный случай соответствует графику времени Т3-3 для погонной емкости Спг. 3 на фигуре 3.
Для компенсации экспоненциального искажения фронта предложено устройство, реализованное по схеме, показанной на фигуре 4. Схема функционально выполнена аналогично схеме прототипа и содержит три ключевых транзистора Т1, Т2, Т3, элементы формирования режимов - резисторы R1, R2, R3 и конденсатор С1. Также для защиты от импульсных помех используются диод D1 и конденсатор С2.
Принцип работы схемы сохранился. При переходе сигнала от логического нуля к логической единице включается входной ключевой элемент и формирует кратковременную «подтяжку» (компенсацию запаздывания сигнала) к уровню логической единицы за счет схемы одновибратора на втором ключевом элементе. Длительность компенсации определяется резистором R2, R3, конденсатором С1 и составляет около 14-15 микросекунд.
В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве уровень включения цепи одновибратора транзистора Т1 на резисторах R2, R3 и конденсаторе С1 определяется по схеме Дарлингтона, собранной на двух транзисторах Т1, Т2 и резисторе R1 [5]. Это создает новые свойства устройства, по сравнению с прототипом.
Во-первых, значительно повышается входное сопротивление схемы устройства, что уменьшает нагрузку и позволяет включать подобные компенсаторы в узловых точках при больших длинах линий и в большем количестве.
Во-вторых, ключевой порог схемы фиксации и работы одновибратора теперь определяется на уровне 1.4 Вольт. Это значительно уменьшило влияние помех при нахождении сигнала на уровне логического нуля и снизило влияние индуктивной помехи, которая появляется при крутых поворотах и петлях при прокладке кабеля, а также при наведении помех от внешних силовых источников и энергопотребителей.
Компенсация погонной емкости для данной схемы составляет примерно 15 нф, что составляет для кабеля типа КИПЭПЭ с погонной емкость от 30-60 пф/метр (для расчета берем 50 пф/метр), около 15000/50=300 метров [3] [4].
Таким образом, используя данную схему при всех других равных условиях, можно увеличить длину линии на 300 метров.
На фигуре 5 приведен график компенсации погонной емкости с указанием уровня включения ключевых транзисторов.
Эксплуатация предлагаемого одновибраторного компенсатора искажений импульсных сигналов показала свою работоспособность и полезность в системе телеметрии силосов элеваторов и других объектах агропромышленного комплекса.
Источники информации
1. Схема регенерации сигнала 1-wire:
http://www.sciteclibrarv.ru/ms/catalog/pages/6645.html
2. Описание датчика температуры и протокола lwire:
https://teplo-energetika.ru/arduino/ds18b20-rus.pdf
3. Погонная емкость витой пары:
http://ulspo.ru/library/technical/network/fido/twist.html
4. Погонная емкость для сетей автоматизации:
http://spetskabel.ru/about/experts/articles/2005/249/
5. Описание включения транзисторов по схеме Дарлингтона:
https://vpayaem.ru/inf_amp_darlington.html