В некоторых случаях требуется подключить к устройству дополнительный внешний блок, например, датчик или зонд. Причем этот внешний блок является активным и требует подачи питания. Кроме того, он должен обмениваться с устройством информацией, пусть и в простейшем виде.
Разумеется, возникает сильное желание свести до минимума число жил в соединительном кабеле, который может быть и довольно длинным. Эта задача известна давно и для ее решения были разработаны различные решения. Самые известные, пожалуй, это частотное разделение (сигнал передается в виде высокочастотной составляющей), которое применялось еще в ламповой технике, и интерфейс 1-wire (при пассивном питании).
Но существуют и другие решения. Об одном таком решении сегодня и пойдет речь. Оно достаточно просто и может использоваться даже новичками.
В статье описывается один из простых методов совместной передачи питания и дискретного сигнала. Этот метод можно использовать когда 1-Wire по каким либо причинам неприменим. Например, для устройств без микроконтроллеров. Статья рассчитана на начинающих.
Очень кратко о 1-Wire
Частотного разделения сегодня касаться не будем, а вот на 1-wire кратко взглянем.
Я не сомневаюсь, что вы знаете, как работает 1-wire, но пару слов все таки скажу. Если внешнему блоку для работы требуется очень малый ток по цепи питания, то можно использовать пассивное (паразитное) питание через тот же проводник, который используется для передачи данных. Именно этот случай и показан на иллюстрации.
Когда передача данных не осуществляется, транзисторы и в устройстве, и во внешнем блоке, закрыты. И конденсатор внешнего модуля заряжается практически до напряжения питания. Типовая емкость этого конденсатора 800 пФ. Потребляемый микроконтроллером внешнего блока ток ничтожно мал, но все таки отличен от нуля.
Передача нуля и единицы осуществляется через замыкание линии связи открытым транзистором на короткое время. Время замыкания линии определяет, что передается, ноль или единица. В момент передачи микроконтроллер внешнего блока питается от конденсатора.
Резистор подтяжки, который размещен в устройстве, обычно имеет сопротивление порядка 4.7 кОм при напряжении питания 5 В. С учетом минимального напряжения питания для устройств 1-Wire равного 3.0 В (согласно документации), получаем максимальный ток потребления внешнего блока порядка 0.4 мА.
Если же потребляемый внешним блоком ток больше, использовать пассивное питание не получится, потребуется отдельная линия питания. Так же возможно использование вместо подтягивающего резистора "активной подтяжки". Это описано в документации на 1-Wire. Вот один из вариантов
Интерфейс 1-Wire обрел заслуженную популярность и довольно распространен. Но он не может, к сожалению, использоваться в некоторых случаях. Например, если наше устройство или внешний блок достаточно просты и не имеют микроконтроллеров, то 1-Wire вряд ли будет лучшим выбором. Другим примером может служить датчик, который выдает сигнал в виде логического уровня при выходе контролируемой величины за допустимые пределы.
Альтернативный метод. Передача сигнала от внешнего блока
Итак, больший ток потребления внешнего блока мы можем обеспечить. В разумных пределах конечно. Но как быть с сигналами большой длительности? Ведь емкость конденсатора нельзя увеличивать до бесконечности.
А значит, нам придется отказаться от замыкания линии связи, так как это мешает обеспечению внешнего блока питанием. Это вполне возможно если выходной сигнал внешнего блока будет токовым. В таком случае мы можем считать максимальный потребляемый внешним блоком ток за отсутствие сигнала. А ток превышающий определенный порог за наличие сигнала. В общем и целом можно рассматривать как некий аналог токовой петли.
Такое решение известно давно, но в любительских конструкциях применяется редко. Недостатком этого метода является то, что напряжение питания внешнего блока не является постоянным, оно зависит от потребляемого тока. А это может потребовать использование дополнительного стабилизатора во внешнем блоке.
В данном случае, в устройстве, транзистор VT1 используется в качестве простейшего порогового элемента. Пороговое значение тока определяется сопротивлением резистора R1. А резистор R2 защищает транзистор VT1 от выхода из строя при коротком замыкании линии. Если короткое замыкание линии невозможно, то R2 не нужен.
Во внешнем блоке транзистор VT1e при открывании подключает резистор R2e параллельно линии, что увеличивает ток потребления до порогового уровня (или выше).
Вывод In подключается к другим узлам устройства. Высокий логический уровень на In соответствует превышению тока потребления внешним устройством порогового уровня. То есть, передаче внешним блоком сигнала для устройства.
Давайте рассмотрим пример расчета элементов схемы. Предположим, что наш внешний блок потребляет от 2 до 5 мА при напряжении питания 12 В. Для надежного определения наличия сигнала примем пороговое значение тока 10 мА. Так же будем считать, что внешний блок имеет внутренний стабилизатор напряжения, который на иллюстрации не показан.
Таким образом, ток через резистор R2e, при открытом VT1e должен быть не менее 8 мА, так как пороговый ток равен 10 мА, а минимальный ток потребления равен 2 мА. При этом к резистору будет приложено напряжение примерно 10.5 В (12 В минус падение напряжения на открытом VT1e, минус падение напряжения на R1). Отсюда получаем, что сопротивление резистора R2e не должно превышать 1300 Ом. Выбираем, с запасом, сопротивление 1 кОм.
Для простоты будем считать, что КЗ линии у нас не может возникнуть, поэтому R2 не нужен. Тогда сопротивление R1 будет определяться из двух условий. Во первых, при отсутствии сигнала падение напряжения на нем должно быть менее напряжения открывания база-эмиттер VT1. В большинстве случаев можно считать, что пороговое напряжение равно 0.6 В. Во вторых, при токе равном пороговому падение напряжения на R1 должно быть достаточным для открывания VT1.
Так как у нас максимальный ток при отсутствии сигнала равен 5 мА, сопротивление R1 не должно превышать 120 Ом. Пороговый ток сигнала равен 10 мА, значит сопротивление R1 должно быть более 60 Ом. Достаточно разумным выбором будет сопротивление R1 равное 82 Ом.
Альтернативный метод. Передача сигнала в обоих направлениях
А если нужна двухсторонняя передача сигнала? Для передачи сигнала к внешнему блоку можно использовать управление напряжением его питания.
Да, схема стала сложнее, но и обмен сигналами теперь двухсторонний.
Переключение уровней напряжения в устройстве обеспечивается транзисторами VT2 и VT3. Когда VT3 закрыт на внешний блок подается почти полное напряжение питания (за вычетом падений напряжения на R1 и VT2). Когда VT3 открыт, напряжение питания внешнего блока определяется стабилитроном VD1 (за вычетом падения напряжения на R1 и VT2).
Во внешнем блоке транзистор VT2e и стабилитрон VD1 используются как простой "монитор питания". Когда на внешний блок поступает полное напряжение питания, то есть, транзистор VT3 в устройстве закрыт (на выводе Out низкий уровень), транзистор VT2e открыт и на его коллекторе низкий уровень напряжения. Когда VT3 открывается, напряжения питания внешнего блока недостаточно для открывания VT2e и на его коллекторе высокий уровень напряжения. Вместо узла на VT2e имеет смысл использовать TL431.
Заключение
Описанный способ далеко не нов, но применяется и сегодня. Причем не только для простых устройств или передачи сигнала уровнем. Конечно, если внешний блок подключается коротким кабелем, то может быть более целесообразным использование многожильного кабеля. Но если линия связи длинная, десятки метров, то добавление пары транзисторов окажется дешевле использования многожильного кабеля.
Еще раз подчеркну, что это не замена 1-Wire. Это одна из возможных альтернатив, когда 1-Wire и ему подобные использовать не получается.