Genauer gesagt handelt es sich um eine sehr einfache serielle RS485-Schnittstellenschaltung. Die genaue Schaltung ist in der Abbildung unten dargestellt. Nach Verwendung dieser Schaltung ist es nicht mehr nötig, separate Signale für die Sende- und Empfangszeitsteuerung des 485-Chips zu verwenden (ist das nicht sehr praktisch? Ich finde es jedenfalls sehr praktisch).

Das Problem ist, dass diese Schaltung aufgetaucht ist. Bei unserem Umgebungsexperiment bei 55 Grad gab es keinerlei Probleme. Senden und Empfangen funktionierte einwandfrei. Doch beim Benutzer angekommen, hängte sich die Schaltung nach kurzer Zeit auf, und nichts passierte mehr. Wissen Sie, wo sich der Benutzer befindet? Die Schaltung stand neben einem Motor, der viel Wärme erzeugt (verdammt, egal, der Kunde ist König). Ich habe die Umgebungstemperatur selbst gemessen, sie lag über 48 Grad. Um Staub zu vermeiden, befanden sich meine Platine und eine wärmeerzeugende Hauptsteuerung in einem Gehäuse ohne Lüfter. Dadurch stieg die Temperatur im Gehäuse auf über 70 Grad (wollen Sie grillen?). Es ist unmöglich zu sagen, welche Installationsumgebung für Messungen ungeeignet ist. Ich war ziemlich verzweifelt, als mir plötzlich eine Idee kam. Ich fragte den Embedded-Software-Entwickler hinter mir: „Gibt es ein Problem mit Ihrer Softwarekonfiguration?“ ARM reduziert die Frequenz, wenn es zu heiß wird. Hast du es vielleicht nicht richtig konfiguriert, sodass es Probleme beim Senden und Empfangen gibt? (Ich kenne die genaue Ursache im Moment nämlich nicht.) Daraufhin sagte der Typ verärgert: „Nichts Besonderes. Ich habe fast die ganze Bedienungsanleitung durchgelesen und nichts gefunden.“ Zuerst habe ich ihm mein Mitgefühl ausgedrückt und dann gesagt: „Ich gehe nochmal hin und helfe dir, herauszufinden, was schiefgelaufen ist.“

Nach meiner Rückkehr in die Firma habe ich den ARM mit einem Heißluftfön kräftig erhitzt, aber nichts passierte. Verdammt, das Potentiometer saß fest. Ich habe die restlichen Schaltungsteile nacheinander erhitzt. Als ich die Triode (Q4 im Bild) erhitzte, wurden keine Daten mehr empfangen. Es schien ein Problem mit der Triode zu sein, aber Pech kommt selten allein. Nachdem ich sie nicht mehr erhitzt hatte, wurden bei sinkender Temperatur keine Daten mehr empfangen. Könnte sie durchgebrannt sein? Bei genauerem Hinsehen erkennt man, dass der Widerstand durchgebrannt ist (Mist, in der Hardwareentwicklung läuft nie alles glatt!). Nachdem ich den Widerstand angelötet habe, habe ich die Luftzufuhr reduziert, die Hitze erhöht und weiter erhitzt. Falls etwas nicht stimmt, habe ich das Zielsignal fixiert und die Wellenform gemessen.

Messen Sie die in der obigen Abbildung markierten Punkte 1, 2 und 3. Der im Schaltplan verwendete Strombegrenzungswiderstand beträgt 1 kΩ, die Triode ist vom Typ 9013. Messen Sie zunächst die Signalverläufe an den drei Messpunkten bei Raumtemperatur. Der erste Signalverlauf stammt vom Ausgangspin des Isolationschips ADuM1201 und ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Ausgangsspannungsamplitude beträgt 5 V (die Abbildung im Hintergrund ist irrelevant).

Der zweite Messpunkt stellt die Basissteuerspannung der Triode 9013 dar. Der Spannungsverlauf ist in der Abbildung unten dargestellt. Der Spitzenwert der Ausgangsspannung beträgt etwa 700 mV, die Schwankungsbreite etwa 200 mV. Das heißt, bei einem Pegel von 0.7 V ist die Triode leitend, bei einem Pegel von 0.5 V ist sie gesperrt.

Der dritte Messpunkt stellt die Kollektorspannung der Triodenröhre 9013 dar. Der Signalverlauf ist in der Abbildung unten dargestellt, und die Ausgangsspannungsamplitude beträgt etwa 5 V.

Dann habe ich mit meiner Hand, die ja quasi ein Experte im Haaretrocknen ist, online gegangen. Ich habe eine Weile darauf gepustet und musste mit der anderen Hand die Wellenform messen. Zum Glück hat das Glätteisen keine Blasen verursacht (sonst wäre es als Arbeitsunfall gewertet worden). Ich habe die drei oben genannten Messpunkte erneut gemessen. Die Wellenform des ersten Punktes ist in der Abbildung unten dargestellt. Sie ist im Wesentlichen dieselbe wie vor dem Erhitzen, daher verändert das Erhitzen die Ausgangsspannungscharakteristik des Isolationschips ADuM1201 nicht.

Messen Sie anschließend den zweiten Messpunkt. Bei einer weiteren Erwärmung auf etwa 55 Grad Celsius ergibt sich für den zweiten Messpunkt ein Signalverlauf wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Spannungsschwankung verringert sich auf unter 100 mV, d. h. der hohe Pegel sinkt auf 0.6 V, der niedrige Pegel liegt jedoch weiterhin bei etwa 0.5 V. Steigt die Temperatur weiter an und erreicht 65 Grad Celsius, bleibt die Spannung am zweiten Messpunkt im Wesentlichen bei 0.5 V, und der Transistor bleibt eingeschaltet, sodass RS485 keine Daten senden kann.

Okay, der dritte Punkt ist online. Bei einer Temperatur von etwa 55 Grad sieht der Signalverlauf des dritten Punktes wie in der Abbildung unten dargestellt aus. Mit steigender Temperatur bleibt die Ausgangsspannung des dritten Punktes niedrig, und die RS485-Schnittstelle befindet sich im Empfangszustand.

IK, ist das nicht eine Falle? Ich schaue mir mal die Eigenschaften dieser Triode an (wer hat mich in der Schule bloß zum Nicht-Lernen animiert?). Die Triode besteht aus zwei PN-Übergängen. Ihre Ube-Spannungskennlinie ist in der Abbildung unten dargestellt. Ihre Durchlassspannung beträgt etwa 0.7 V, und die Basis- und Emissionsspannungskennlinie entsprechen der Diodenkennlinie. Wie man in der Abbildung unten rechts sieht, verschiebt sich die Ube-Kennlinie mit steigender Temperatur insgesamt nach rechts. Dadurch sinkt der Spannungsabfall an der Triode, wodurch der RE-Pin, der den MAX485-Chip steuert, dauerhaft auf niedrigem Pegel liegt und somit keine Daten gesendet werden können.

Nachdem ich nun den Temperatureinfluss auf die Triode kenne, ändere ich sie. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die Basis der Triode letztendlich auf 0.5 V begrenzt ist, da der 5-V-Pull-up-Widerstand von 10 kΩ und der Strombegrenzungswiderstand von 1 kΩ die Basisspannung auf 0.5 V teilen. Nach dem Ändern des Strombegrenzungswiderstands R65 auf 0 Ω ergibt sich der in der folgenden Abbildung dargestellte Spannungsverlauf. Man erkennt, dass die Spannung zwischen 0 V und 0.7 V schwankt.

Nach dem Austausch des Strombegrenzungswiderstands gegen einen 0-Ω-Widerstand wurde die RS485-Schaltung weiter erhitzt. Der Verlauf der Wellenform ist in der Abbildung unten dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Wellenform nicht wesentlich verändert hat und die serielle Schnittstelle Daten normal senden kann. Da jedoch die Basis des Transistors den Sendeanschluss des ADuM1201 auf 0.7 V herunterzieht, was den Ausgangsstrom des ADuM1201 erhöht, wird dies die Lebensdauer des Geräts im Langzeitbetrieb erheblich beeinträchtigen. Es entspricht nicht meiner Art, dies nicht gründlich zu ändern (hauptsächlich, weil ich befürchte, dass es mir in Zukunft Probleme bereiten könnte).

Um dieses Problem endgültig zu lösen, habe ich intensiv (und etwas unkonventionell) nachgedacht und herausgefunden, dass die Temperatureigenschaften der Triode bei hohen Betriebstemperaturen zu einer Verringerung der Basisschwellenspannung führen. Da eine Reduzierung des Ausgangsstrombegrenzungswiderstands des ADuM1201 die Lebensdauer des Bauteils verkürzen und die Produktqualität beeinträchtigen würde, habe ich die Triode 9013 nun durch die MOSFET-Röhre GMS2302 ersetzt. Da die MOSFET spannungsgesteuert ist, verbraucht sie deutlich weniger Strom.

Die Gate-Spannungskurve des MOSFETs GMS2302 bei Raumtemperatur ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Spannungsbereich liegt zwischen 0 V und 5 V.

Der Verlauf der Gate-Spannung bei einer Temperatur des MOSFETs GMS2302 von etwa 80 °C ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Spannungsverlauf ändert sich nicht, und die serielle Schnittstelle kann Daten normal senden.

Daher muss ich beim Entwurf den Forschergeist (auch im Verborgenen) an den Tag legen, um das Problem vollständig zu lösen. Dieser Fall beruht auf eigener Erfahrung. Obwohl er nicht umfangreich ist, ist er von großer Bedeutung. Die daraus gezogene Schlussfolgerung ist, dass er uns im zukünftigen Hardware-Entwicklungsprozess leiten kann. Wenn er als Schalter verwendet wird, empfiehlt sich die Verwendung von MOSFETs und die Auswahl geeigneter Strombegrenzungswiderstände.

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