[Rozwiązano] Jak filtrować zasilanie mikrokontrolera i zabezpieczyć komunikację UART na 20m?

Witam!

Zaprojektowałem płytkę która ma za zadanie odbierać komunikaty poprzez UART, sterować PWM oraz dwoma przekaźnikami, poniżej załączam schemat sterownika(rys.1) oraz schemat blokowy całego systemu(rys.2).
Zasilacze które będą użyte:
Zasilacz 5V
Zasilacz 12V

Zasilacz 5V oraz komunikacja UART będą oddalone od sterownika z rys.1 o 20m. Zasilacz 12V, sterownik(rys.1) oraz oddzielna płytka z przekaźnikami oraz diodami zabezpieczającymi( rys.3 ) będą zamknięte w jednej obudowie.
Przekaźniki, które będą użyte:
Przekaźniki
Przekaźniki będą bezpośrednio sterować sterownikiem 2 który jest oddalony o 10m od nich.

Mam parę pytań apropo projektu sterownika z rys.1 przeczytałem parę artykułów na temat zasilania mikrokontrolerów itp. i na tej podstawię dodałem kondensatory na zasilaniu i nie wiem czy będzie to odpowiedni sposób filtrowania zasilania czy trzeba dodać coś jeszcze ??

Czy do komunikacji UART trzeba dodać jakieś rezystory terminujące lub coś pełniącego role filtra aby nie powstawały zakłócenia lub tzw. "dzwonienie" na pinach komunikacji??( nie mogę znaleźć nigdzie na internecie infomacji na ten temat )

I ostatnie pytanie czy sterowanie przekaźnikami jest odpowiednie i nie będzie ono przenosiło żadnych zakłóceń na mikrokontroler i nie wpłynie na pracę układu oraz komunikację UART?? Myślałem nad zastosowaniem trasnoptorów, ale nie wiem czy będzie to dobre rozwiązanie, gdy wszystkie sterowniki itp. muszą być połączone wspólną masą.

Wszystkie konektory i połączenia po przez przewody na płytce są połączone po przez konektory śrubowe.

Z góry Dziękuję każdemu za pomoc !!! Pozdrawiam!!

KT1309 napisał:

Czy do komunikacji UART

UART to słowo-guma, jest wiele standardów
UART rozumiany jako z nózek Atmegi to chyba nie obiecuje 20m

KT1309 napisał:

I ostatnie pytanie czy sterowanie przekaźnikami jest odpowiednie i nie będzie ono przenosiło żadnych zakłóceń na mikrokontroler

Trudno to sobie bezwzględnie obiecywać że będzie luzik.

KT1309 napisał:

Czy do komunikacji UART trzeba dodać jakieś rezystory terminujące lub coś pełniącego role filtra aby nie powstawały zakłócenia lub tzw. "dzwonienie" na pinach komunikacji??( nie mogę znaleźć nigdzie na internecie infomacji na ten temat )

Odważny jesteś

Weż i zrób na RS485 czy RS422. Na akie odległości to tylko sygnały różnicowe.

UART jako RS232 na 20 m to pociągnie. Ew. kwestia protokołu - warto dodać wykrywanie błędów i retransmisję błędnych pakietów. UART-TTL - nawet jeśli zadziała to do pierwszej burzy

Na początku chciałem zrobić komunikację na taką odległość bezpośrednio z pinów atmegi.... lecz nie jest to zbyt dobry pomysł. Znalazłem taki o to układ:
Link
I nie wiem czy byłby on dobrym rozwiązaniem aby dodać dwa takie układy po dwóch stronach i w ten sposób zrealizować transmisje

Tylko nie wiem czy wykorzystanie tego układu będzie dobrym pomysłem. Jeżeli nie będę próbował zrobić w jakiś inny sposób komunikacje po przez RS485 i układy np. MAX489/MAX491.

Tak jak napisał @tmf RS232 da radę. Chodzi o to że w tym standardzie napięcia są od -12 do +12. Osiągniesz to zwykłym układem MAX232. On potrzebuje wokół siebie tylko cztery kondensatory i one robią za pompkę tych napięć tak więc ten układ jak mu podasz 5V to sam sobie wytworzy te -9V i +9V (typowo) i to powoduje że to działa na trochę dłuższe odległości bo pokonuje opory i trochę lepiej znosi burze
W RS232 potrzebujesz odniesienia czyli ciagniesz jeszcze masę.

W RS485 wystarczą dwa przewody, ale najlepiej jesli to będzie skrętka. Potrzebujesz wtedy układu MAX485, ale jest haczyk. Potrzebujesz tez dodatkowym pinem procesora sterować kierunkiem nadawania/odbierania RE/DO i to dodatkowo oprogramowac w sofcie żeby tym sterowało.

Można użyć RS422 - jeśli są tylko dwa urządzenia to wtedy da się zrobić transmisję full-duplex. Oczywiście można też użyć transceivera CAN, ale tu nie ma to żadnej przewagi. Niezależnie od metody ransmisji, ważny jest protokół - przynajmniej ramka z CRC.

ledo99 napisał:

Można też pętlę prądową.

Można też użyć gołębi, ale to raczej niewiele wnosi.

bart-projects napisał:

Tak jak napisał @tmf RS232 da radę. Chodzi o to że w tym standardzie napięcia są od -12 do +12. Osiągniesz to zwykłym układem MAX232. On potrzebuje wokół siebie tylko cztery kondensatory i one robią za pompkę tych napięć tak więc ten układ jak mu podasz 5V to sam sobie wytworzy te -9V i +9V (typowo) i to powoduje że to działa na trochę dłuższe odległości bo pokonuje opory i trochę lepiej znosi burze
W RS232 potrzebujesz odniesienia czyli ciagniesz jeszcze masę.

W RS485 wystarczą dwa przewody, ale najlepiej jesli to będzie skrętka. Potrzebujesz wtedy układu MAX485, ale jest haczyk. Potrzebujesz tez dodatkowym pinem procesora sterować kierunkiem nadawania/odbierania RE/DO i to dodatkowo oprogramowac w sofcie żeby tym sterowało.

Zapoznałem się trochę z tymi układem MAX232( uważam, że byłby to dobry pomysł jest lecz układ jest dość duży w porównaniu do np. MAX485, a zależy mi na małych wymiarach płytki ) oraz układami jeżeli chodzi o transmisje po przez RS485 takimi jak np. MAX485. Do komunikacji z sterownikiem będzie wykorzystywana skrętka i z tego co się orientuję pary różnicowe zapewniają bardzo dobrą jakość połączenia. I zastanawiam się który układ zapewniałby najlepszą jakość i stabilność połączenia:
-transciver CAN, do którego odniósł się @tmf

tmf napisał:

Można użyć RS422 - jeśli są tylko dwa urządzenia to wtedy da się zrobić transmisję full-duplex. Oczywiście można też użyć transceivera CAN, ale tu nie ma to żadnej przewagi. Niezależnie od metody ransmisji, ważny jest protokół - przynajmniej ramka z CRC.

-MAX485
-MAX232( jeżeli by zapewniał najlepsze parametry postarałbym się go upchnąć jakoś na płytce ).

Jeżeli chodzi o RS485 to nie ma problemu dodać w programie obsługi oraz jest też wolny pin procesora do wykorzystania. Postaram się wyeliminować z układu te dwa przekaźniki, a zostawić sterowanie na samych tranzystorach, ponieważ sterownik2 z rys.2 potrzebuję po prostu zwarcia do masy aby załączyć daną funkcję, która ma wykonać.

I mam pytanie czy po takich modyfikacjach oraz wykorzystaniu jednego z tych 3 układów wyżej opisanych komunikacja na odległość będzie stabilna i odporna na zakłócenia ??

KT1309 napisał:

układ jest dość duży w porównaniu do np. MAX485

Hmm... MAX3232 można kupić w obudowie SOP16 a MAX485 w SO8. Nie widze wielkiej różnicy chyba żeby wliczać te cztery potrzebne kondensatory to faktycznie.

Sam układ ma około 9x6mm


Za 4zł sprzedają gotowce -> Ciekawe czy warto się pochylic nad zmianami w programie...

bart-projects napisał:

KT1309 napisał:

układ jest dość duży w porównaniu do np. MAX485

Hmm... MAX3232 można kupić w obudowie SOP16 a MAX485 w SO8. Nie widzę wielkiej różnicy chyba żeby wliczać te cztery potrzebne kondensatory to faktycznie.

Sam układ ma około 9x6mm

Za 4zł sprzedają gotowce -> Ciekawe czy warto się pochylić nad zmianami w programie...

Zapoznam się jeszcze dokładnie z każdym z tych układów, wybiorę coś i przetestuję komunikację bezpośrednio na tej skrętce 20-metrowej. Płytka z MAX232, którą pokazałeś, wydaje się całkiem spoko opcją, nie patrząc nawet na sam wymiar, bo może udać się upakować to wszystko na jednej PCB albo dać obok taką płytkę, ale priorytetem jest stabilność i dobra komunikacja bez zakłóceń, na tym mi najbardziej zależy.

RS485 będzie miał największą odporność na zakłócenia. Jeśli chcesz zrobić transmisję na jednej parze, to będzie half-duplex, nie ma problemu. Do sterowania transceivera RS485 potrzebujesz jeden dodatkowy pin IO MCU.

tmf napisał:

RS485 będzie miał największą odporność na zakłócenia. Jeśli chcesz zrobić transmisję na jednej parze, to będzie half-duplex, nie ma problemu. Do sterowania transceivera RS485 potrzebujesz jeden dodatkowy pin IO MCU.

Czy jeżeli użyje układu MAX485 to będę mógł zrealizować komunikację full duplex po przez odpowiednie sterowanie czy układ ma działać jako nadajnik/odbiornik na jednej parze w skrętce i schowam takie same parametry sygnału ??? Czy lepiej użyć układów np. MAX489 oraz MAX491 i realizować komunikację w dwie strony po dwóch parach w skrętce??

Mam jeszcze pytanie apropo działania Transcivera CAN. Jeżeli dobrze rozumiem to na nóżki Rx i Tx podaje sygnał bezpośrednio z atmegi i ten układ konwertuje mi sygnał na parę różnicową i protokół CAN?

KT1309 napisał:

zy jeżeli użyje układu MAX485 to będę mógł zrealizować komunikację full duplex po przez odpowiednie sterowanie czy układ ma działać jako nadajnik/odbiornik na jednej parze w skrętce i schowam takie same parametry sygnału ??? Czy lepiej użyć układów np. MAX489 oraz MAX491 i realizować komunikację w dwie strony po dwóch parach w skrętce??

To zależy od ciebie, na RS485 będziesz miał half-duplex, czyli na raz nadaje tylko jedno urządzenie i musisz w programie zapewnić, aby tak było. Na RS422 możesz srobić full duplex, ale potrzebujesz transceiver, który będzie w większej obudowie (dwa).

KT1309 napisał:

Mam jeszcze pytanie apropo działania Transcivera CAN. Jeżeli dobrze rozumiem to na nóżki Rx i Tx podaje sygnał bezpośrednio z atmegi i ten układ konwertuje mi sygnał na parę różnicową i protokół CAN?

Tak, z wyjątkiem konwersji na protokół CAN - do tego jest osobny scalak. Transceiver zapewnia tylko kompatybilność elektryczną.

tmf napisał:

KT1309 napisał:

zy jeżeli użyje układu MAX485 to będę mógł zrealizować komunikację full duplex po przez odpowiednie sterowanie czy układ ma działać jako nadajnik/odbiornik na jednej parze w skrętce i schowam takie same parametry sygnału ??? Czy lepiej użyć układów np. MAX489 oraz MAX491 i realizować komunikację w dwie strony po dwóch parach w skrętce??

To zależy od ciebie, na RS485 będziesz miał half-duplex, czyli na raz nadaje tylko jedno urządzenie i musisz w programie zapewnić, aby tak było. Na RS422 możesz srobić full duplex, ale potrzebujesz transceiver, który będzie w większej obudowie (dwa).

KT1309 napisał:

Mam jeszcze pytanie apropo działania Transcivera CAN. Jeżeli dobrze rozumiem to na nóżki Rx i Tx podaje sygnał bezpośrednio z atmegi i ten układ konwertuje mi sygnał na parę różnicową i protokół CAN?

Tak, z wyjątkiem konwersji na protokół CAN - do tego jest osobny scalak. Transceiver zapewnia tylko kompatybilność elektryczną.

Czy taka komunikacja miałaby sens aby urządzenie 1 oraz urządzenie 2 były cały czas ustawione na odbiór i tylko w momencie wysyłania komunikatu procesor przełącza układ MAX485 na nadawanie w jedna lub w druga strone po czym odrazu na odbiór ??
Oraz mam pytanie czy rezystory R28 i R29 mają mieć wartość 120ohm???

KT1309 napisał:

Czy taka komunikacja miałaby sens aby urządzenie 1 oraz urządzenie 2 były cały czas ustawione na odbiór i tylko w momencie wysyłania komunikatu procesor przełącza układ MAX485 na nadawanie w jedna lub w druga strone po czym odrazu na odbiór ??

Tak, wystarczy na stałe włączyć odbiornik. Trzeba tylko pamiętać, że w takiej sytuacji każdy procesor odbiera także to co nadaje.

KT1309 napisał:

Oraz mam pytanie czy rezystory R28 i R29 mają mieć wartość 120ohm???

Zależy od impedancji ośrodka. Ale tak, zwykle to 120 omów i przy 20m i marnej szybkości są one zbędne.

Dobra to zamawiam MAX485 i zrobie testy

tmf napisał:

Trzeba tylko pamiętać, że w takiej sytuacji każdy procesor odbiera także to co nadaje.

Nie w tym przypadku. Musiałby podłączyć dwa piny (albo jeden pin i bramkę) i trzymać RE low a DE high. Nikt tego raczej tak nie robi (no chyba że chce mieć sprzętowe echo)

Zobacz mój film o RS485:
https://youtu.be/1STXlV1CvWs
Pewne rzeczy powinny się wyjaśnić.

Dodano po 1 [minuty]:

oscil1 napisał:

Nie w tym przypadku. Musiałby podłączyć dwa piny (albo jeden pin i bramkę) i trzymać RE low a DE high. Nikt tego raczej tak nie robi (no chyba że chce mieć sprzętowe echo)

Ale jak rozumiem, autor tak właśnie chce zrobić.

tmf napisał:

Ale jak rozumiem, autor tak właśnie chce zrobić.

Sądzisz, że to kółko na schemacie to bramka?

ledo99 napisał:

złamał kolega dwa punkty regulaminu (3.1.9. i 3.1.11.).

Nie, nie złamał, użył bardzo dobrze dobraną metaforę do zobrazowania mizernego efektu.
Jeśli nie masz narzuconego rozwiązania kabelkami, zaproponował bym transmisje radiową.
Nie pamiętam, które moduły RF pozwalają na dwustronną komunikację, @tmf może pamięta.

Mam jeszcze takie pytanie aporpo zasilania otóż na całej płytce są:
- dwa kondensatory 100nF ceramiczne zaraz przy zasilaniu atmegi
- kondensator 100nF ceramiczny oraz 47uF elektrolit na zasilaniu MAX485
- kondensator 100nF ceramiczny oraz 100uF elektrolit na wejściu zasilania 5V
( MAX485 jest blisko złącza zasilania 5V, więc praktycznie prawie że w kupie są 4 kondensatory )
- kondensator 100nF ceramiczny oraz 2x100uF elektrolit na zasilaniu 12V

Czy nie jest to zbyt dużo kondensatorów lub czy ich pojemności nie są zbyt duże ???

Widziałem także, że nie którzy montują elektrolity 2.2uF przy zasilaniu procesora czy warto ich użyć ???

michal.zd napisał:

@tmf może pamięta.

Może być np. RFM12B. Są tez prostsze moduły, ale bardziej problematyczne w zapewnieniu poprawnej transmisji.
Generalnie można użyć czegokolwiek, każdy problem ma dużo rozwiązań. Ale w tym wątku już padło kilka sensownych. IMHO to na RS232 spoko zadziała, jedynym powodem dla użycia RS485/RS422 w ym przypadku jest wymóg autora, aby była zajęta minimalna powierzchnia. Transceiver RS485 jest w obudowie 8-pinowej, a więc znacznie mniejszej niż transceiver RS232, no i nie wymaga kondensatorów do pompy ładunkowej. RS485 jest przy okazji standardem przemysłowym i dalsza komplikacja, typu zabawa w pętle prądowe i inne druciarstwo IMHO jest bez sensu. Tak samo ktoś mógłby napisać, żeby autor użył transceivera światłowodowego, albo czegoś jeszcze bardziej egzotycznego.

KT1309 napisał:

Czy nie jest to zbyt dużo kondensatorów lub czy ich pojemności nie są zbyt duże ???

Zdecydowanie za dużo. Generalnie dwa 100 nF do Atmegi + 100 nF do transceivera i to wszystko. Przy zasilaniu tylko to co producent rekomenduje dla wybranego stabilizatora. Na RS485 jeśli to jest gdzieć puszczone na zewnątrz można ew. dodać transile.

ledo99 napisał:

A czy RS485 zapewnia izolację galwaniczną?

RS485 nie zajmuje się tym problemem. Standard tylko mówi (o ile pamiętam) że róznica poziomów pomiedzy stronami nie może byś większa od +-7V. Jest wiele metod osiągnięcia izolacji - np przez użycie odpowiednich transceiver-ów. Np TI ISOW1432. Mają one z reguły wbudowane konwertery DC/DC izolujące zasilanie bardzo ułatwiając projektowanie.

Dodano po 40 [minuty]:

KT1309 napisał:

Widziałem także, że nie którzy montują elektrolity 2.2uF przy zasilaniu procesora czy warto ich użyć ???

Tak - w niczym to nie zaszkodzi. Ale aby sobie odpowiedzieć na to pytanie należy zrozumieć po co one są. Szczególnie w układach cyfrowych gdzie zmiany sygnałów są bardzo szybkie (z 0 do 1 i vice versa) mamy dwa złe efekty.

1. nasze zasilanie jest zawsze z nieidealnego żródła. Ma ono swoją (upraszczając) oporność wewnętrzną a ścieżki indukcyjność. W czasie przełaczania nasz układ cyfrowy szybko zmienia swoje zapotrzebowanie na energię co powoduje zmiany napięcia na nóżce Vcc.
2. Drugim efektem jest dzwonienie na wyjściu układu, które przenosi się na zasilanie.

Aby ograniczyć te efekty staramy się zmniejszyć impedancję zasilania poprzez kondensatory odsprzeglające (bypass capacitor). Muszą być one jak najbliżej ukłądu aby długość ścieżki pomiędzy kondensatorem a układem była jak najkrótsza (po to aby jej oporność i indukcyjność była jak najniższa). Dodając taki kondensator przy pewniej częstotliwość układ RLC zaczyna być w rezonansie istotnie redukując impedancję (na rysunku poniżej jest pokazana impedancja względem częstotliwości dla samego kondensatora ).


Jak widać dla każdej pojemności jest ona inna. Aby mieć ten spadek w większym zakresie częstotliwości musimy mieć ich więcej (żeby to "dołki" utworzyły szerszą "dolinę"), ile i jakich to zależy od tego jaki ten zakres potrzebujemy. Dlatego 100n to jest takie mocne uproszczenie. Ja z reguły stosuję (jak nie chce mi się liczyć 100n, 1u, i 2.2u, 4.7 lub 10u. Kondensatory są tanie, i nie zajmują dużo miejsca.