Адаптер уровней порт СОМ шина 1-wire

Часто требуется недорогой преобразователь уровней порта СОМ в уровни ТТЛ, КМОП и обратно для связи различных устройств с компьютером. Самым важным свойством такого преобразователя является отсутствие внешнего источника питания, малогабаритность, простота конструкции и качественное преобразование сигналов. В сети есть много всяких конструкций и описаний подобных устройств. Мне понадобился преобразователь для связи с шиной 1wire, необходимо было связать компьютер с несколькими температурными датчиками DS18B20.  После анализа была выбрана одна из схем, которая вроде обеспечивала требуемые параметры и была достаточно простой, всего два транзистора и несколько навесных деталей, ее можно было разместить в корпусе разъема. Действительно схема работала с одним датчиком с кабелем длиной в 10 метров. Некоторая неоднозначность чтения шины 1wire не мешала правильному определению температуры, поскольку алгоритм считывания данных с шины 1wire позволяет правильно трактовать состояния 1/0 шины в достаточно широком временном диапазоне. Однако при подключении второго датчика со вторым кабелем 12 метров, этот недостаток перерос в проблему. Шина не определялась, фронты сигналов оказались заваленными, и схема формирования на одном транзисторе просто не обеспечивала качественное формирование сигнала для порта СОМ. Может и удалось бы подстроить схему, что непросто при монтаже в корпусе разъема, но где гарантия, что еще один дополнительный датчик не потребует очередной настройки схемы.

Поэтому была разработана собственная схема преобразователя уровней сигнала на двух микросхемах, которая обеспечила качественное формирование сигналов для порта СОМ (рис.1). На 561ЛА10 собран формирователь уровня ТТЛ, КМОП. Эта микросхема с открытым стоком, что позволяет формировать уровень ТТЛ или КМОП в зависимости от напряжения источника питания стока. 561ЛА10 может заменяться на 564ЛА10 или CD40107. На компараторе LM339 (аналог 1401СА1)  собран компаратор с гистерезисом и порогом срабатывания 1 вольт, что позволяет блокировать влияние помех небольшой амплитуды. Для упрощения схемы компаратора в качестве источника отрицательного напряжения используется выход порта RTS. Такое решение имеет и отрицательную сторону, так как становится невозможным параллельная работа выходов DTR и RTS для увеличения нагрузочной способности порта, но отпадает необходимость в создании источника отрицательного напряжения для компаратора. Также преобразователь становится несовместим с программами, которые  настраивают драйвер порта СОМ на выдачу положительного напряжения на выходе RTS для совместной работы с выходом DTR, что бывает достаточно редко. Потребление тока преобразователя по выходу RTS составляет 2, 5 миллиампера, а по выходу DTR 3 миллиампера.

Рис. 1

Диоды VD1,VD2 - любые маломощные диоды Шоттки, не обязательно Шоттки, но желательно, VD3 - любой маломощный импульсный диод, VD4 - защитный стабилитрон шины, VT1 - любой маломощный транзистор.

Если нет необходимости в шине 1wire, а требуется только преобразование уровней,  устройство упрощается. VD4 можно удалить и разорвать соединение входа компаратора с выходом 561ЛА10. Для преобразователя уровней КМОП дополнительно убирается источник +5 вольт на VT1, а резистор R8 подключается к общему положительному источнику питания.

Проверка в реальных условиях для двух датчиков с кабелями длиной по 10м каждый показали хорошие результаты, осциллограмма сигнала "Сброс-присутствие" соответствует приведенной в описании(data sheet) на устройство. Реальные временные параметры для данного случая выделены на рис. 2 красным шрифтом.

Рис. 2

При увеличении длины кабеля свыше 30 метров некоторые источники рекомендуют использовать витую пару и резистор подтяжки шины к источнику питания R8 заменить на активную схему. Очевидно имеется ввиду источник тока. Если не предпринять этих мер, то фронты импульсов заваливаются и нарушаются временные условия шины при формировании принятых сигналов.

При экспериментальной проверке с простейшим источником тока на полевом транзисторе КП302 обнаружилось, что такая схема не дает положительного результата, фронт импульса имеет существенный завал (рис 3).   Можно было бы поэкспериментировать с другими типами транзисторов или использовать более сложную схему источника тока, но на этапе промежуточных экспериментов выяснилось, что если     изменить рекомендуемую схему подтяжки шины к источнику питания на следующую:

•  Заменить стабилитрон VD4 на 5-ти вольтовый
•  Резистор R8 подключить к коллектору VT1,

то фронт импульса резко улучшается и становится практически прямоугольным. При этом стабилитрон выполняет двоякую роль, ограничивает напряжение на шине требуемыми 5-ю вольтами и в тоже время является защитным диодом. Схема проверена и показала очень хорошие результаты на двух линиях по 10 метров, предполагается, что при увеличении длины кабеля такая схема подтяжки при всей ее простоте, также покажет хорошие результаты. Возможно, что резистор R8 потребуется уменьшить до 1ком, с целью увеличения тока через стабилитрон.

Схему окончательного варианта адаптера можно посмотреть в описании программы Термо.

[в начало]