Scheda interfaccia MassaBus

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La scheda di interfaccia bus MassaBus si occupa di adattare i segnali dell’interfaccia RS232 del computer master in segnali di tipo RS485, adatti alla comunicazione nel bus. La scheda può essere alimentata a 5V sia dalla scheda di alimentazione (che ha una apposita uscita riservata a questa scheda), sia dal computer master con cui è collegata via seriale RS232 visto che i PC solitamente dispongono già di linee interne di alimentazione stabilizzate a 5V.

Nella figura sopra è possibile notare il layout della scheda che dispone nel lato sinistro del connettore standard RS232 a 9 pin, mentre nel lato destro trovano spazio un connettore morsetto a 3 vie per collegare il bus domotico alla scheda (linee A,B e GND), un connettore a due vie per l’alimentazione a 5V della scheda e un dip switch dotato di tre interruttori che permettono di attivare la resistenza di terminazione della linea e le resistenze di polarizzazione del bus. Le modalità di attivazione e di collegamento sono state descritte nel capitolo relativo al bus RS485.

La scheda dispone inoltre di un led verde che indica la corretta alimentazione della scheda e di un led rosso che indica l’attività del bus domotico, attivandosi quando il master effettua una chiamata ai device slave.

CARATTERISTICHE SCHEDA

Questa scheda presenta le seguenti caratteristiche:

• Alimentazione a 5V (da scheda di alimentazione o PC master).
• Interfaccia verso PC master RS232, adattabile ad usb con appositi convertitori.
• Isolamento galvanico tra bus RS485 e RS232 tramite fotoaccoppiatori e convertitore DC/DC isolato.
• Comando direzione dati bus RS485 tramite segnale RTS RS232.
• Adattamento segnali RS232 – TTL.
• Presenza led di segnalazione alimentazione e attività bus.
• Possibilità di attivazione terminazione e polarizzazione sulla linea bus.

SCHEMA A BLOCCHI

Le funzioni della scheda possono essere rappresentate tramite uno schema a blocchi.

Partendo da sinistra è possibile notare la presenza di un convertitore RS232 – TTL (MAX232) che si occupa di convertire i segnali tipici dell’interfaccia RS232 in segnali 0-5V TTL compatibili. Questi segnali TTL vengono utilizzati dai fotoaccoppiatori di isolamento che si occupano di mantenere galvanicamente isolate la linea dati lato RS232 dalla linea lato BUS.

Le due parti della scheda (lato RS232 e lato BUS) oltre che essere isolate a livello di segnali sono isolate anche a livello di alimentazioni attraverso l’uso di un convertitore DC/DC isolato. Nel lato bus i segnali elettricamente isolati dalla parte dell’ interfaccia RS232 vengono mandati all’integrato transceiver MAX485 che provvede ad adattare i segnali entranti ai segnali necessari al bus RS485. In particolare il segnale RTS presente nell’interfaccia RS232 viene utilizzato, dopo l’isolamento tramite fotoaccoppiatori, per la selezione della direzione di comunicazione del transceiver RS485.

La parte lato bus è direttamente alimentata dalla tensione a 5V entrante a destra dello schema a blocchi, mentre tutta la parte relativa all’interfaccia RS232 viene alimentata tramite il convertitore DC/DC. Il convertitore DC/DC può anche essere omesso collegando rispettivamente i terminali + e - delle due sezioni con dei ponti sulla scheda.

TRANSCEIVER MAX232

Questo integrato si occupa dell’adattamento dei segnali di tipo RS232 provenienti dal PC di controllo master ai livelli logici TTL standard, utilizzati da microcontrollori e circuiti digitali sbilanciati per collegamenti tra componenti.

Inoltre, per poter inviare i segnali RS232 ai fotoaccoppiatori è necessario adattare, oltre che le impedenze e i livelli di tensione, anche i livelli logici associati alle tensioni effettuando le opportune inversioni. Infatti i segnali utilizzati (TxD,RxD e RTS) presenti nell’interfaccia RS232 presentano una logica negativa mentre nelle parti successive del circuito è richiesta una logica positiva.

Tutte queste funzioni di inversione ed adattamento vengono svolte dall’integrato MAX232 della Maxim che contiene al suo interno dei duplicatori e invertitori di tensione che fanno uso di circuiti detti a “pompa di carica”. Questo permette di garantire, con una sola alimentazione di 5V, la tensione positiva e negativa dello standard RS232 con una efficienza molto alta. Lo schema interno preso dal datasheet in figura 2.20 rappresenta in maniera chiara le inversioni logiche effettuate sui segnali e i circuiti di duplicazione e inversione della tensione. Nella pratica la tensione entrante a 5V viene duplicata a 10V per essere in linea con i livelli di tensione dei segnali di tipo RS232. Successivamente tale tensione viene invertita a -10V consentendo di utilizzare entrambi i livelli +10V e -10V necessari alla comunicazione in standard RS232. Per effettuare tali operazioni l’integrato necessita di 5 condensatori (solitamente da 1uF) come rappresentato nello schema interno. Sempre dallo stesso si notano le resistenze di pull-down e pull-up che permettono di poter lasciare gli ingressi non utilizzati dell’integrato scollegati. L’integrato supporta la conversioni di 2 canali RS232 a TTL e di 2 canali TTL a RS232.

CONVERTITORE DC/DC

La scheda di interfaccia bus RS485 per poter garantire un isolamento totale tra l’interfaccia master RS232 e il bus RS485 necessita, oltre che dei fotoaccoppiatori dei segnali, anche di un convertitore DC/DC isolato. Questo dispositivo permette di alimentare un carico mantenendo le masse e le alimentazioni separate come se fossero due circuiti indipendenti.

Il principio sui cui si basano questi convertitori è basato sull’utilizzo di trasformatori di isolamento operanti ad alta frequenza, che hanno dimensioni drasticamente ridotte rispetto ai trasformatori classici. Infatti il trasformatore in questo contesto permette di isolare galvanicamente i due circuiti (quello in ingresso al convertitore e quello in uscita) trasferendo l’energia attraverso un flusso magnetico. Per poter effettuare questa operazione è necessario che il trasformatore venga alimentato con una corrente alternata ad alta frequenza generata da un circuito oscillatore che permette di convertire la corrente continua in corrente alternata ad alta frequenza. Il trasformatore può quindi elevare, diminuire o mantenere pressoché identica all’avvolgimento primario la tensione presente nel suo avvolgimento secondario. Quando la tensione rimante dello stesso valore tra gli avvolgimenti il convertitore funge semplicemente da isolatore di sicurezza tra due circuiti operanti in corrente continua, proprio come nel caso della scheda di interfaccia bus RS485.

La tensione in uscita dal secondario viene quindi riconvertita in continua tramite l’uso di diodi rettificatori e capacità di filtro, riottenendo la corrente continua simile a quella entrante in origine (per tale motivo è chiamato DC/DC).

Questa scheda è stata progettata per supportare vari modelli di convertitori DC/DC isolati della Texas Instruments:

• DCH010505
• DCH010505D (versione con anche uscita negativa)
• DCP020505
• DCP020505D (versione con anche uscita negativa)

Per semplicità di seguito verrà illustrato il modello DCH010505 prodotto dalla Texas Instruments, un integrato convertitore DC/DC non regolato e isolato da 1W di potenza. Esso si presenta con un package visibile in figura. Il trasformatore garantisce isolamento fino a 3.000V.

Si è scelto di utilizzare vari modelli di convertitori DC/DC per garantire la massima flessibilità e la facile reperibilità del componente.

Questo componente, essendo abbastanza costoso (10€ circa) può anche essere escluso procedendo in due modi:

• Isolando completamente le due alimentazioni, collegando l'alimentazione (5V e GND) della linea isolata ai 5V e GND del pc a cui è collegato e collegando all'ingresso di alimentazione della scheda l'alimentazione del bus.
• Collegando la linea isolata all'alimentazione del bus, in questo caso al posto dei convertitori è necessario apporre dei ponticelli rispettando le polarità (5V e GND).

TRANSCEIVER RS485 MAX485

Questo integrato, facente parte anch’esso della scheda di interfaccia bus, si occupa dell’adattamento dei segnali in logica TTL entranti in segnali a logica RS485 e viceversa. Nel dettaglio si occupa di effettuare le necessarie negazioni per garantire le caratteristiche differenziali della linea RS485 e i livelli logici TTL associati utilizzati nel resto della scheda.

L’integrato è composto da un trasmettitore e da un ricevitore le cui attivazioni sono controllabili tramite due terminali:

• RE: a livello basso attiva l’unità ricevente dell’integrato.
• DE: a livello alto attiva l’unità trasmittente sul bus.

FOTOACCOPPIATORE 4N25

I fotoaccoppiatori sono dispositivi che permettono l’isolamento galvanico tra due circuiti,effettuando il trasferimento del segnale da un circuito all’altro attraverso la luce. Internamente il fotoaccoppiatore 4N25 è composto da un diodo led e da un fototransistor inseriti in un unico package DIP6 integrato, permettendo una elevata praticità e sicurezza di funzionamento essendo la coppia led fototransistor non influenzata dalla luce esterna.

SCHEMA ELETTRICO

Lo schema elettrico del progetto rappresenta il circuito elettrico che assolve alle funzioni citate nello schema a blocchi precedente. Si nota la presenza dei 3 fotoaccoppiatori 4N25 utilizzati per isolare i segnali e del convertitore DC/DC di isolamento della linea +5Viso che alimenta il MAX232 ed i relativi fotoaccoppiatori. Il fotoaccoppiatore 4N25 è composto internamente da un led e da un fototransistor completamente isolati elettricamente, pertanto il trasferimento dei segnali e dei dati avviene attraverso la luce. I led dei fotoaccoppiatori sono stati collegati ai circuiti di comando per mantenere la logica positiva anche con il fototransistor ricevente in configurazione invertente ed in maniera da garantire la direzione del segnale, in particolare FC1 e FC3 sono (a lato RS232) in trasmissione, mentre FC2 è in ricezione .

Si può notare come il segnale RTS proveniente dal fotoaccoppiatore FC3 sia collegato al terminale di attivazione dal ricevitore ed al terminale di attivazione del trasmettitore del MAX485 per poter selezionare la direzione di comunicazione nel bus. Questo segnale è anche collegato ad un transistor che comanda l’attivazione del led rosso di segnalazione attività bus.

L’integrato di gestione del bus MAX485 (precedentemente descritto) ha collegato nelle uscite A e B un dip switch a 3 poli che permette ai attivare in ordine la resistenza di attivazione e le due resistenze di polarizzazione del bus RS485.

Nello schema sono presenti due tensioni di alimentazione e due masse: la +5V con relativa massa è l’alimentazione del bus (che è poi la tensione in ingresso nel circuito), mentre la +5Viso e la relativa massa è la tensione in uscita isolata al convertitore DC/DC che alimenta il lato RS232 della scheda.

REALIZZAZIONE PRATICA

Nella realizzazione non tenete conto dell'immagine del master seguente, ma fate riferimento ai file scaricabili a fine articolo!

Altra versione (notare il diverso convertitore DC/DC)

DOWNLOAD FILE REALIZZAZIONE SCHEDA