Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Обсуждение статей, технологий домашней автоматизации, программных и аппаратных решений
Ответить
Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 09:42

Коллеги, всем привет!
Все же хотел бы разобраться и подвести итог по вопросу как правильно подключать различные датчики, которые выносятся от контроллера (не обязательно MegaD) на сравнительно большое расстояние. Итак, примем несколько условностей:
1. Большое расстояние для выноса датчиков - это расстояние свыше 10 м.
Примечание. По моему опыту I2C датчики стабильно работают при длине линии до 12 м (одна витая пара для SCL/SDA). Качественные DS18B20 с паразитным питанием и стандартной подтяжкой MegaD работают на расстоянии до 12 м.
2. Кабель. Самый универсальный - это витая пара Cat5 2х2х0,5 кв.мм или 2х4х0,5 кв.мм. Не экранированная витая пара (почему - см.источник 1)!
Примечание для новичков - бывает настоящая медная (лучше всего использовать ее), а бывает омедненная (внутри стальная или алюминиевая жила, снаружи медь) витая пара. Использовать лучше только медную пару, а для POE - только медь! Все недостатки омедненки описаны, например, тут.

Поскольку я еще не выпустил в продакшн свой "универсальный" датчик, то хотел бы разобраться - как лучше всего расключить посредством витой пары датчики, которые будут на будущей плате. План минимум по датчикам - это HTU21D, SSD1306 по I2C, DS18B20 по 1W и вспомогательная кнопка для управления выводом информации на OLED. Чтобы не было вопросов - DS18B20 у меня стоят в 14-ти зонах ТП и завязаны на функционал "удаленный термостат" MegaD.
Прототип моего "универсального" датчика можно посмотреть тут - https://www.ab-log.ru/forum/viewtopic.p ... 180#p28728
Почитав различные статьи и имея опыт по звуковым цепям аудиотехники (там действительно много ньюансов чтобы высокочувствительная акустика не "шипела") я пришел к двум схемам подключения датчиков (тут показано как витая пара оканчивается на плате датчика):
Sensor_Connections.png
Sensor_Connections.png (78.42 КБ) 1028 просмотров
К слову - Вариант 2 у меня работает уже пару лет, но возникают баги:
1. Ранее температура на OLED отображалась средствами контроллера MegaD. Нажимал кнопку - значение высвечивалось на 10 секунд и экран гас. В какой-то момент при нажатии кнопки значения температуры перестали появляться на OLED и это решалось перезагрузкой (соответственно происходила переинициализация дисплея) контроллера. Поскольку плата прототипа подключена к витой паре посредством RJ-45, то я в какой-то момент "обновил" соединение и дисплей стал работать как надо.
2. Недавно сделал, что по нажатию вспомогательной кнопки сервер отправляет на контроллер данные, которые необходимо вывести на дисплей. Однако не системно OLED стал снова виснуть и пока я в причинах этого не разобрался.

Эти баги и баги с другими контроллерами, к которым подключены длинные шины с датчиками, заставили задуматься как же стоит правильно подключать датчики к контроллерам именно проводочками витой пары Cat5. Переосмыслив Вариант 2, решил что Вариант 1 более предпочтителен. Но хочу услышать мнение гуру.
Последний раз редактировалось Alex_Jet 15 фев 2019, 09:58, всего редактировалось 2 раза.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 09:44

Собрал источники, которыми "вдохновлялся". Может быть кому-нибудь будет полезно:
1. https://obrazki.elektroda.pl/2856105200_1451749662.jpg
2. https://www.maximintegrated.com/en/app- ... mvp/id/148
3. http://mk90.blogspot.com/2011/04/1-wire.html
Третья статья весьма спорная и мне очень не понравилась вот эта часть
Самой распространенной ошибкой при построении сети 1-Wire является выбор в пользу Ethernet-кабеля Cat.5...
...из-за значительного падения напряжения на длинных и весьма тонких проводах кабеля Cat.5e датчику сети 1-Wire банально не хватает напряжения питания
В той особенности, что DS18B20 при 3-х проводном подключении в активном состоянии потребляет 1,5мА. А поскольку он может работать в диапазоне +3,0...5,5В, то чтобы с 5В на входе линии напряжение на датчике упало хотя бы до 3,3В нужна длина сегмента минимум 6000м (туда и обратно 12000 м, если учитывать сопротивление жилы 9,38 Ом/100м)! И почему автор не произвел элементарных расчетов по закону Ома? Конечно, если подключены 2 и более датчиков или датчики, потребляющие от 10 мА, то расстояние снижается, но не так критично как описывает автор этого опуса.

В моей схеме где изображаю как подключены 3 шт. DS18B20 для использования функционала "локальный термостат" MegaD и 2 шт. DS18B20 на шине 1WB есть ошибка, которая приводит к земляной петле. Чтобы ее избежать необходимо не подключать к GND контроллера бел.-кор. жилу витой пары.
Последний раз редактировалось Alex_Jet 15 фев 2019, 09:54, всего редактировалось 1 раз.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 09:49

Еще момент по схеме Варианта 1. По моему Erik озвучивал, что таким образом из бел.зел. и бел.син. жил получается "антенна", однако мой опыт с аудиотехникой говорит, что подключать экран нужно только с одной стороны, причем с той где земля лучше! То есть лучше непосредственно к минусовой клемме БП, которым питается данный контроллер.
Если кто-то может доказать иное, то милости прошу. У самого сейчас нет возможности повозиться с осциллографом и сделать нужные эпюры.

Также, конечно же на самой плате нужны дополнительные электролиты и пленка. А также керамика между Vdd и Gnd DS18B20, еще может быть шоттки, но мне не нужно покрывать расстояние больше 20 м. У датчиков I2C (планируется использовать готовые платы) скорее всего и пленка, и керамика уже есть.

d.v.ermakov
Сообщения: 943
Зарегистрирован: 29 май 2015, 21:23
Откуда: Екатеринбург, Нижний Тагил

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение d.v.ermakov » 15 фев 2019, 12:03

Честно говоря, не могу себя считать экспертом в этом вопросе, образования не хватает. Но, я бы каждую сигнальную линию пускал бы в отдельной паре с землёй и подключал бы эту землю только возле контроллера/БП. А питание по отдельной паре (лучше двум, и взаимно не свивая). Про конденсаторы, шоттки и стабилитроны согласен с вами и статьями.
Про Cat5 в третьей статье, конечно, перегиб. Но, из практики, часто падает напряжение (при значительных токах) на разъёмах 8Р8С (или 6Р6С и т.д.), особенно со временем. Даже с 12В бывают проблемы. Стараюсь их в таких местах не ставить. Применяю либо винтовые либо хорошие пружинные клеммы.
Это всё тема про то, что не стоит экономить кабель, пока штробы открыты.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 12:19

d.v.ermakov писал(а):
15 фев 2019, 12:03
Честно говоря, не могу себя считать экспертом в этом вопросе, образования не хватает. Но, я бы каждую сигнальную линию пускал бы в отдельной паре с землёй и подключал бы эту землю только возле контроллера/БП. А питание по отдельной паре (лучше двум, и взаимно не свивая). Про конденсаторы, шоттки и стабилитроны согласен с вами и статьями.
Про Cat5 в третьей статье, конечно, перегиб. Но, из практики, часто падает напряжение (при значительных токах) на разъёмах 8Р8С (или 6Р6С и т.д.), особенно со временем. Даже с 12В бывают проблемы. Стараюсь их в таких местах не ставить. Применяю либо винтовые либо хорошие пружинные клеммы.
Это всё тема про то, что не стоит экономить кабель, пока штробы открыты.
Да, я уже баг с 8Р8С описал. А что конкретно применяете если надо это установить на плату? Я вот прикупил 8P8C вертикальные, но крепко задумываюсь - стоит ли их юзать? Поскольку проблема уже была. Про питание немного не понял - можно поподробнее?

Burst
Сообщения: 98
Зарегистрирован: 25 янв 2018, 13:22
Откуда: Балашиха

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Burst » 15 фев 2019, 12:20

Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 09:49
Еще момент по схеме Варианта 1. По моему Erik озвучивал, что таким образом из бел.зел. и бел.син. жил получается "антенна", однако мой опыт с аудиотехникой говорит, что подключать экран нужно только с одной стороны, причем с той где земля лучше! То есть лучше непосредственно к минусовой клемме БП, которым питается данный контроллер.
Если кто-то может доказать иное, то милости прошу. У самого сейчас нет возможности повозиться с осциллографом и сделать нужные эпюры.

Также, конечно же на самой плате нужны дополнительные электролиты и пленка. А также керамика между Vdd и Gnd DS18B20, еще может быть шоттки, но мне не нужно покрывать расстояние больше 20 м. У датчиков I2C (планируется использовать готовые платы) скорее всего и пленка, и керамика уже есть.
Витая пара оптимизирована для дифференциальных сигналов, мне кажется использование второго проводника как экрана идея какая-то сомнительная в плане полезности. Могу сказать как у меня сделано - сначала сделал, а потом прочитал, что так работать не должно :)
Витая пара 6кат 23AWG
БЗ SDA
З SCL
БО 3.3В от Меги
О общий рядом с 3.3В от Меги
подключены звездой(!!!) 4 датчика I2C на общий SCL и отдельные SDA, длины кабеля 10, 10, 7 и 12 метров. Больше года работает стабильно.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 12:51

Burst писал(а):
15 фев 2019, 12:20
Витая пара оптимизирована для дифференциальных сигналов, мне кажется использование второго проводника как экрана идея какая-то сомнительная в плане полезности. Могу сказать как у меня сделано - сначала сделал, а потом прочитал, что так работать не должно :)
Витая пара 6кат 23AWG
БЗ SDA
З SCL
БО 3.3В от Меги
О общий рядом с 3.3В от Меги
подключены звездой(!!!) 4 датчика I2C на общий SCL и отдельные SDA, длины кабеля 10, 10, 7 и 12 метров. Больше года работает стабильно.
На самом деле смысл свитых косичкой проводников недооценен...в аудиотехнике некоторые дотошные люди делают межблочные кабели из витухи :) правда косичка вьется особым образом. Конечно в дифференциальном сигнале это наиболее выгодно, но и для обычного сигнала второй проводник, подключенный к хорошей земле является частью экрана, а значит проводник с полезным сигналом меньше подвержен различным "наводкам". Таким образом в Cat6 экран получается еще лучше из-за большего количества витков.

Erik
Сообщения: 326
Зарегистрирован: 08 ноя 2017, 08:55

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Erik » 15 фев 2019, 12:58

Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 09:49
Еще момент по схеме Варианта 1. По моему Erik озвучивал, что таким образом из бел.зел. и бел.син. жил получается "антенна", однако мой опыт с аудиотехникой говорит, что подключать экран нужно только с одной стороны, причем с той где земля лучше! То есть лучше непосредственно к минусовой клемме БП, которым питается данный контроллер.
Если кто-то может доказать иное, то милости прошу. У самого сейчас нет возможности повозиться с осциллографом и сделать нужные эпюры.

Также, конечно же на самой плате нужны дополнительные электролиты и пленка. А также керамика между Vdd и Gnd DS18B20, еще может быть шоттки, но мне не нужно покрывать расстояние больше 20 м. У датчиков I2C (планируется использовать готовые платы) скорее всего и пленка, и керамика уже есть.
Я предлагал буквально следующее
Изображение

Суть предложения - подать землю максимально возможным сечением как можно ближе к каждому датчику шиной.

ПРо экран, не помню, чтобы я что-то говорил. Но.
Если вы доведете шиной заземление до обоих сторон вашего "экрана", то вам будет все равно, со скольких сторон его подключать. Если он подключается к одной и той же шине - заземление "экрана магистрали" с двух сторон призвано сократить длины заземляющих соединений у подключенных к магистрали устройств.

А в классическом случае - компьютере и лвс на экранированном кабеле - заземление с трех точек происходит. Первая точка - сетевое оборудование, которое заземляется через кабель питания или отдельным заземлителем. Которое экранированными пачкордами соединяется с второй точкой заземления - экранированной пачпанелью (объединяя земли точек). Вторая точка - экранированная патчпанель. Которая обязательно заземляется и заземляет оплетки кабелей лвс. Третья точка - компьютер. Который заземляется через кабель питания. Который экранированным пачкордом соединяется с экранированной ЛВС, заземленной в пачпанели и сетевом оборудовании. В нормально работающей системе эти 3 точки заземления должны быть на общей шине. Иначе будут проблемы.
Последний раз редактировалось Erik 15 фев 2019, 13:40, всего редактировалось 1 раз.

Burst
Сообщения: 98
Зарегистрирован: 25 янв 2018, 13:22
Откуда: Балашиха

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Burst » 15 фев 2019, 13:21

КМК самое правильное - тянуть к каждому датчику свою землю отдельным проводом в составе UTP, но из одной точки (например от блока питания Меги - к нему можно сделать мини-шину), тогда это место будет точкой выравнивания потенциалов и взаимные помехи от датчиков по земле снизятся.

Erik
Сообщения: 326
Зарегистрирован: 08 ноя 2017, 08:55

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Erik » 15 фев 2019, 13:32

Burst писал(а):
15 фев 2019, 13:21
КМК самое правильное - тянуть к каждому датчику свою землю отдельным проводом в составе UTP, но из одной точки (например от блока питания Меги - к нему можно сделать мини-шину), тогда это место будет точкой выравнивания потенциалов и взаимные помехи от датчиков по земле снизятся.
Извините, но это бессмысленно.
Мега и так "шина", в ней все земляные контакты объединены.

Но проблема в том, что разница потенциалов набирается из-за длины проводов. Большая длина при салом сечении = падение напряжения = разница потенциалов при разных длинах.
Эту проблему снимает длинная шина. Или общий длинный толстый провод. В котором из-за большого сечения (и соответственно низкого сопротивления) разница потенциалов минимальная. Это способ минимизации проблемы.

А в том, что вы предлагаете нет решения проблемы. Вам лучше тогда было бы и у меги земляные контакты не объединять, а развязать их гальванически.
Последний раз редактировалось Erik 15 фев 2019, 13:44, всего редактировалось 1 раз.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 13:41

Burst писал(а):
15 фев 2019, 13:21
КМК самое правильное - тянуть к каждому датчику свою землю отдельным проводом в составе UTP, но из одной точки (например от блока питания Меги - к нему можно сделать мини-шину), тогда это место будет точкой выравнивания потенциалов и взаимные помехи от датчиков по земле снизятся.
Так это и есть фактически Вариант 1. Кнопке пофигу какую землю использовать. Датчикам I2C - то же, поскольку главное передать SDA/SCL с минимум помех. Вот для DS18B20 - согласен, но его сигнал идет вместе с землей, которая является землей для датчиков I2C. Конечно хотелось бы землю подвести более толстым проводником, но проводников лишних нет. А бел.-зел. и бел.син. уже нельзя использовать дабы не получить земляную петлю, в которой будут бегать электроны, мешающие SDA/SCL.

Erik
Сообщения: 326
Зарегистрирован: 08 ноя 2017, 08:55

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Erik » 15 фев 2019, 13:56

Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 13:41
А бел.-зел. и бел.син. уже нельзя использовать дабы не получить земляную петлю, в которой будут бегать электроны, мешающие SDA/SCL.
Они же в портах меги все равно объединены.
Если их соединить в каждой раздаточной коробке, то между коробками (между точками объединения) ток по проводникам будет распределяться по закону ома. И в разных проводниках между точками не будет возникать разности потенциалов.
Поэтому их объединение равносильно укорачиванию кабеля (приближения меги). и никак не приведет к петле.

Кнопке все равно, какую землю использовать, но если ее земляной кабель послужит увеличению сечения "общей шины" - это плюс.

d.v.ermakov
Сообщения: 943
Зарегистрирован: 29 май 2015, 21:23
Откуда: Екатеринбург, Нижний Тагил

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение d.v.ermakov » 15 фев 2019, 15:29

1) Согласен с Erik и его схемой.
2) to Burst - дифференциальная пара на то и дифференциальная, что сигнал относительно одного проводника относительно другого проводника, в нашем случае земли (или, реже, относительно плюса), и свивать нужно с землёй. Erik прав, если нет другого, толстого проводника с землёй рядом (например, в розетке), то лучше соединять в одной точке. Однако, у нас сигналы, что I2C, что 1wire, не дифференциальные, поэтому проблемы полностью это не решит, но улучшит.
3) to Alex_Jet, про питание. Я имел в виду, что плюс с минусом в одной паре (например оранжевый - плюс, бело-оранжевый - минус) - это хуже, чем О и БО - плюс, К и БК - минус, например. Или, если нет лишних пар, то так, как нарисовал Erik.
4) Разъёмы в плату использую такие, покупаю здесь, они по одному контакту друг в друга собираются, и крышечка с одной стороны нужна.

Alex_Jet
Сообщения: 913
Зарегистрирован: 12 янв 2014, 18:00
Откуда: Россия, г.Томск

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Alex_Jet » 15 фев 2019, 16:51

d.v.ermakov писал(а):
15 фев 2019, 15:29
1) Согласен с Erik и его схемой.
Так она не отличается от моей по факту никак...
d.v.ermakov писал(а):
15 фев 2019, 15:29
3) to Alex_Jet, про питание. Я имел в виду, что плюс с минусом в одной паре (например оранжевый - плюс, бело-оранжевый - минус) - это хуже, чем О и БО - плюс, К и БК - минус, например.
Мне кажется это реально будет плохо если питание грязное. Иначе никакой разницы не должно быть.
В общем, как будет прототип так попробую зацепится осциллографом и посмотреть фронты SDA/SCL/1W с оторванными БЗ/БС и с запараллелеными с БО.

d.v.ermakov
Сообщения: 943
Зарегистрирован: 29 май 2015, 21:23
Откуда: Екатеринбург, Нижний Тагил

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение d.v.ermakov » 15 фев 2019, 17:18

Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 16:51
Так она не отличается от моей по факту никак...
Отличается. Заземлением. И словами о том, что к земле же подключается БЗ и БС. Кстати, лайфхак: чаще всего подключаем корпус/раму щитка (а также некоторые другие вещи) к земле через резистор 1 мегаом.
Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 16:51
Мне кажется это реально будет плохо если питание грязное. Иначе никакой разницы не должно быть.
Я до конца не понимаю, как это работает. Но расскажу историю из жизни.
На одном объекте сбоили все датчики. 1W, I2C, даже аналоговые. Разделил плюс и минус по разным парам - ситуация улучшилась. Правда, потом нашли основную причину - на вводе был перепутан ноль и фаза. А, поскольку ноль до ввода был разделён и выполнял также роль земли (TN-С-S), то по земле во всех помещениях был потенциал сети и везде было приличное электромагнитное поле. Обнаружил, кстати, когда достал прибор для поиска проводки. Он сошёл с ума и показывал проводку во всех точках всех помещений, даже в воздухе.
Последний раз редактировалось d.v.ermakov 15 фев 2019, 18:16, всего редактировалось 2 раза.

Burst
Сообщения: 98
Зарегистрирован: 25 янв 2018, 13:22
Откуда: Балашиха

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Burst » 15 фев 2019, 17:20

d.v.ermakov писал(а):
15 фев 2019, 15:29
2) to Burst - дифференциальная пара на то и дифференциальная, что сигнал относительно одного проводника относительно другого проводника, в нашем случае земли (или, реже, относительно плюса), и свивать нужно с землёй. Erik прав, если нет другого, толстого проводника с землёй рядом (например, в розетке), то лучше соединять в одной точке. Однако, у нас сигналы, что I2C, что 1wire, не дифференциальные, поэтому проблемы полностью это не решит, но улучшит.
Тогда тем более земляные провода для каждого датчика нужно разделять и использовать попарно с сигнальными, чтобы уменьшить синфазную помеху.

d.v.ermakov
Сообщения: 943
Зарегистрирован: 29 май 2015, 21:23
Откуда: Екатеринбург, Нижний Тагил

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение d.v.ermakov » 15 фев 2019, 17:37

Burst писал(а):
15 фев 2019, 17:20
Тогда тем более земляные провода для каждого датчика нужно разделять и использовать попарно с сигнальными, чтобы уменьшить синфазную помеху.
Как раз это и сказал Erik и я с ним согласен.

Erik
Сообщения: 326
Зарегистрирован: 08 ноя 2017, 08:55

Re: Вынос датчиков на большое расстояние. Правильное заземление.

Сообщение Erik » 15 фев 2019, 17:41

Alex_Jet писал(а):
15 фев 2019, 16:51
d.v.ermakov писал(а):
15 фев 2019, 15:29
1) Согласен с Erik и его схемой.
Так она не отличается от моей по факту никак...
Ну и хорошо.
Я уточняю, потому как вы мне приписываете не то, что я говорил.

Схему я предлагал эту
https://frm.intrahouse.ru/viewtopic.php?p=9180#p9180

А про "антенны" я говорил при условии "плохой земли". Это ключевой момент. Про то, с какой стороны заземлять вообще не говорили, насколько я помню.

Ответить