Moduł Ethernet-UART firmy USR i kilka słów o jego zastosowaniu

Niejednokrotnie spotykałem się z sytuacją, w której bezpośrednie sterowanie urządzeniami przez USB z komputera można zrealizować w prosty, dość niezawodny i tani sposób, ale ma ono też swoje wady. Zaliczyłbym do nich uzależnienie od komputera, a także brak separacji galwanicznej w prostych adapterach. Właśnie dlatego, żeby rozwiązać te problemy, kupiłem ten adapter.


Wszystko zaczęło się od tego, że podczas testu pojemności akumulatora musiałem umieścić obciążenie w miejscu, w którym nie ma komputera. Oczywiście można było postawić kolejny komputer, oprócz tych, które i tak pracują u mnie w domu przez całą dobę, i nie chodzi nawet o koszt komputera — po prostu całość wyglądałaby trochę... pokracznie.

Poszperałem w internecie i znalazłem rozwiązanie: wbudować w obciążenie moduł, który pozwoli podłączyć je do domowej sieci lokalnej. A ponieważ kable mam doprowadzone nie tylko do każdego pokoju, ale też do schowka, gdzie zamierzam umieścić obciążenie ze względu na stabilne warunki temperaturowe, taki wariant od razu wszystko upraszczał.

Dla ścisłości dodam, że jest też prostsza opcja: kupić konwerter RS232-TCPIP. W pracy używam Moxa w wersji dwuportowej — świetne urządzenia, ale niestety ich cena jest taka, że za jeden konwerter można bez problemu kupić parę obciążeń elektronicznych.


No więc znalazłem, zapłaciłem, odebrałem i nawet już go użyłem, ale o tym później.
W nagłówku podana jest cena 7.1 dolara, ale sprzedawca oferował płatną i dość drogą wysyłkę. W chwili zakupu użyłem jakiegoś kuponu, więc całość kosztowała $ 10.86. Uznałem, że to akceptowalna cena, choć później znalazłem korzystniejszą ofertę. Ale znowu wybiegam naprzód.

Moduł dotarł w kopercie. Sam moduł był starannie owinięty w arkusz miękkiego materiału. Jedno wyprowadzenie lekko się wygięło, poza tym wszystko w porządku.


Z wyglądu wszystko zgadza się ze zdjęciem sprzedawcy. Na AliExpress są zresztą też inne moduły w takim samym wykonaniu, a nawet tańsze, ale szukałem właśnie produktu USR. Można je odróżnić po napisie na złączu i wzajemnym rozmieszczeniu elementów.


Całość jest bardzo kompaktowa i schludna. Z jednej strony płytki znajduje się listwa pinów do podłączenia, a obok gniazda Ethernet są po prostu dwa piny. Nie są nigdzie podłączone i służą do dodatkowego mocowania modułu na płytce głównej oraz w złączu.
Moduł można zasilać napięciem 5 albo 3.3 V.



Zamontowano dwa układy: mikrokontroler ATSAMD20E18 oraz układ Ethernet DAVICOM DM9051NP. Transformator separacji galwanicznej znajduje się wewnątrz gniazda Ethernet.


Na zewnątrz nie ma już czego oglądać. Żeby sprawdzić, co moduł potrafi od strony programowej, trzeba przynajmniej podłączyć go do zasilania i sieci lokalnej. A żeby „nie biegać dwa razy”, od razu przetestuję go z obciążeniem elektronicznym, do którego jest przeznaczony.


Na płytce obciążenia jest złącze, do którego wyprowadzono sygnały RX/TX, masę i 12 V. Moduł potrzebuje 5 V, więc musiałem na szybko zamontować stabilizator 7805 zamiast diody, przez którą na złącze doprowadzano 12 V.


Podłączyłem wszystko i, o dziwo, nic się nie spaliło. Po podłączeniu kabla sieci lokalnej moduł radośnie zamrugał diodą LED.


Żeby kontynuować, pobrałem program ze strony producenta. Formalnie nie jest on nawet szczególnie potrzebny — przydaje się tylko podczas pracy z komputerem, między innymi do emulacji wirtualnego portu COM. A właśnie tego potrzebowałem.


Ustawienia programu. Jak pisałem wyżej, zależało mi na tym, żeby program potrafił emulować port COM i uruchamiał się w zwykłym trybie w postaci zminimalizowanej.


Jest opcja ręcznej konfiguracji emulowanego portu COM, ale z jakiegoś powodu u mnie nie zadziałała poprawnie. Sam port utworzyłem, ale na tym się skończyło: moje oprogramowanie widziało ten port, lecz żadne dane nie były przesyłane, bo nie było połączenia z modułem Ethernet.


Problem łatwo rozwiązałem, uruchamiając Smart VCOM. Adapter został automatycznie wykryty, a program przypisał mu najbliższy wolny port komputera.


Jedyna trudność polegała na tym, że z jakiegoś powodu wszystko zaczęło działać poprawnie dopiero po dodaniu dwóch portów, czyli po wykonaniu dwa razy opisanej wyżej operacji. Przy tym drugi port od razu przeszedł w stan - Connected.


Oprogramowanie obciążenia elektronicznego wykryło port i bez problemu się z nim połączyło. Właśnie o to mi chodziło.


Przez interfejs WWW dostępne są wszystkie ustawienia modułu, a jest ich całkiem sporo.
1, 2. Statystyki i parametry portu lokalnego.
3, 4. Ustawienia UART
5. Po przełączeniu w tryb ustawień UART na krótko wyświetla się więcej informacji. Nic mi one nie mówią, ale może komuś się przydadzą.
6. Ustawienia hasła, loginu, nazwy modułu itp.


Ustawienia zaawansowane — tutaj zresztą jest tak samo: pełne informacje wyświetlają się tylko przez chwilę (drugi zrzut ekranu)


Podłączam akumulator do obciążenia, żeby przetestować je w praktyce.


Testowe rozładowanie i ładowanie akumulatora przebiegło bez zarzutu. W zasadzie wszystko działało tak samo jak przy połączeniu przez USB, a jeśli opóźnienie reakcji w ogóle występuje, jest praktycznie niezauważalne.



Oprogramowanie stabilnie zliczało wysłane i odebrane pakiety danych.


Można uruchomić monitorowanie, ale osobiście nic mi ono nie powiedziało. Najważniejsze było to, że wszystko działa stabilnie i bez zarzutu.



Na tym kończę opis modułu. Po prostu nie wiem, co jeszcze mógłbym o nim powiedzieć, więc przejdę do opisu modyfikacji, a właściwie przeróbki obciążenia elektronicznego.
Pewnie widzieliście je już wiele razy w moich recenzjach. To bardzo przydatne urządzenie, ale nie jest pozbawione wad. Dwie z nich są dla mnie najbardziej istotne:
1. Dostępne są tylko dwa sposoby sterowania: lokalnie i przez USB. Pierwszy nie działa w testach programowych, a przy drugim występuje połączenie galwaniczne z komputerem.
2. Ponieważ najczęściej stosowany jest zasilacz impulsowy, pojawiają się problemy przy rejestrowaniu przebiegów testowanych urządzeń.



Oczywiście można by spróbować upchnąć wszystko w oryginalnej obudowie, ale po pierwsze jest po prostu za mała, a po drugie zwyczajnie mi się nie podoba. To obudowa zwykłego zasilacza, nieco „zmodernizowana” na potrzeby tego zastosowania. Ponieważ nikt jej specjalnie nie przerabiał, z czasem pojawił się problem związany z cyklami termicznymi — gorące powietrze słabo z niej uchodzi. Jako prostą modyfikację polecam wyciąć przynajmniej część metalowej pokrywy w pobliżu złączy.
Na zdjęciu widać, że oprócz połączeń przez złącza są też przylutowane przewody. W ten sposób próbowałem zaradzić rozjeżdżaniu się kalibracji prądu. Jak się okazało, problemem nie był słaby styk, lecz wygięcie płytki sterującej. Wystarczyło ją lekko odkształcić, żeby kalibracja wróciła do normy. Taki oto problem :(


Biorąc pod uwagę wszystko, co napisałem wyżej, postanowiłem całkowicie zrezygnować z oryginalnej obudowy. Trzeba było rozkręcić całą konstrukcję i wyjąć z niej wszystkie podzespoły. Zostało mi przy tym jeszcze trochę elementów montażowych.


Ze względu na konstrukcję obudowy wyświetlacz był podłączony przez płytkę-adapter. Musiałem ją usunąć, a później wykorzystałem ją do czegoś innego.


Przy okazji zaopatrzyłem się w sklepie Voron w różne złącza, zaciski, czujniki temperatury i inne drobiazgi. Obudowę Z1 znalazłem w domu, a transformator kupiłem na OLX.


Oryginalne złącze do podłączenia wyświetlacza wylutowałem z płytki-adaptera, ponieważ obudowa nie jest zbyt wysoka i z adapterem wszystko po prostu się nie mieściło.
Miałem na oku jeszcze jedną obudowę, nieco mniejszą, ale uznałem, że raczej wszystko się w niej nie zmieści. Jak się okazało, miałem rację.


Jedna z kluczowych czynności — przygotowanie panelu przedniego. Zwykle rysuję go w programie FrontDesigner, potem przygotowuję szkic z zaznaczonymi wszystkimi kluczowymi punktami i wymiarami, przenoszę go na plastik i wycinam frezem tarczowym. Najpierw prostokątne otwory, potem okrągłe.


Następnie usuwam zadziory i nierówności po frezie. Drukuję „czystą” wersję panelu, zostawiając po obwodzie kilka milimetrów, naklejam na wierzch zwykłą taśmę klejącą i przyklejam papier do przedniego panelu.
O wiele wygodniej byłoby użyć papieru samoprzylepnego, ale w domu mam tylko parę arkuszy, a w sklepach nie udało mi się go znaleźć :(
Taśma klejąca bywa przezroczysta albo lekko żółtawa. Z oczywistych powodów lepiej użyć przezroczystej.

Chciałem kupić nakładki w trzech kolorach, ale w sklepie były tylko dwa. Poza tym okazało się, że trzpień przycisku jest do nich trochę za duży. Kupiłem tam też gniazda: zarówno „bananowe”, jak i „mikrofonowe”.

Przepraszam za jakość zdjęć. Większość robiłem po prostu podczas piłowania, wiercenia itp.


Zdjęcie kupionych gniazd w porównaniu ze średnimi gniazdami z mojego poprzedniego testu. Myślałem o zastosowaniu dużych, tanich, ale postanowiłem zostawić je jako „dawców” do urządzeń, w których są obecnie używane, i więcej ich nie kupować.


Przedni panel jest właściwie gotowy. Przygotowanie jego rysunku zajęło sporo czasu. Chciałem, żeby wszystko nie tylko się zmieściło i było wygodne w obsłudze, ale też wyglądało schludnie — taki „technodesign”.


Z tyłu jest znacznie prościej: otwór wylotowy gorącego powietrza i gniazdo przewodu zasilającego. Moduł Ethernet zamontowałem bardzo prosto: bezpośrednio do obudowy gniazda przylutowałem dwa kawałki laminatu szklano-epoksydowego, w których wywierciłem otwory i nagwintowałem je na M3.


Jednym z kluczowych elementów do przeróbki jest transformator. Oczywiście prościej i taniej byłoby zastosować zasilacz impulsowy, ale zależało mi na pełnej izolacji galwanicznej, dlatego kupiłem dwa transformatory. Początkowo chciałem kupić dwa modele 2×15 V, ale sprzedawca przez pomyłkę wysłał jeden taki, jak trzeba, a drugi 2×12 V. To nie jest jakiś wielki problem, ale trochę komplikuje sprawę, bo w takim układzie nie da się już naładować akumulatora kwasowo-ołowiowego. Jest też jednak pośrednia korzyść: trudniej będzie „zabić” zabezpieczenie akumulatorów litowych, ale o tym opowiem chyba w następnym teście.


Transformatory kosztują po 200 UAH, czyli około 7,5 dolara. Przewiduję pytanie: dlaczego nie kupiłem popularnych transformatorów TPP? Otóż te, które znalazłem, po prostu nie mieściły się w obudowie na wysokość. Te tutaj mają parametry 2×15 V, 3 A, czyli do 90 W. Są za to szersze, ale niezbyt wysokie.


Masa transformatorów i najważniejsze wymiary. Ponadto transformator 12 V ma prąd wyjściowy do 3,5 A, ale wersja 15 V ma bezpiecznik na przewodzie.


Sprzedawca powiedział, że transformatory były przeznaczone do sprzętu audio Sven, i to ze starszych partii, w których stosowano jeszcze porządną miedź, a nie mieszankę kartonu z folią. Tym razem tego nie sprawdzałem — zostawię to na następny test. Moim zdaniem przynajmniej przekrój przewodów jest odpowiedni.


W drugim transformatorze, którego użyję w tym obciążeniu, uzwojenie jest praktycznie niewidoczne.


Prąd jałowy jest dość duży i wynosi około 58–62 mA. Napięcie bez obciążenia jest nieco wyższe od deklarowanych 15 (30) i 12 (24) V. W chwili pomiaru napięcie w sieci wynosiło 222 V.


Po godzinie pracy temperatura transformatora wynosi około 40–45 stopni. Uważam, że to trochę za dużo, ale ponieważ w moim przypadku urządzenie ma aktywne chłodzenie, można się tym po prostu nie przejmować.


Nie bez powodu wspomniałem o transformatorach. Po pierwsze, spodobały mi się, choć pierwotnie zaprojektowano je do innego zastosowania. Po drugie, mimo wygodnych napięć uzwojeń mają pewne ograniczenia w moim zastosowaniu. Spróbuję to wyjaśnić.

Istnieje kilka układów prostowania prądu przemiennego. Na początek mostek — wszystko jest proste i wygodne, ale trzeba mieć uzwojenie 12–15 V (schemat A).
Pokazane wyżej transformatory mają uzwojenie 24 lub 30 V z odczepem pośrodku i są przeznaczone głównie do zasilania symetrycznego, co jest przydatne we wzmacniaczach. Jak pisałem wyżej, pochodzą ze sprzętu audio Sven (a właściwie są do niego przeznaczone, bo są nowe). (schemat B)
Ja musiałem zastosować prostownik dwupołówkowy. Jest prosty, ale ma dużą wadę: uzwojenia transformatora są wykorzystywane w praktyce tylko w 50%, ponieważ w danej chwili obciążona jest tylko jedna połówka uzwojenia. (schemat C). Oczywiście powiecie, że taki prostownik i ta zasada są stosowane nawet w mocnych zasilaczach impulsowych. Wszystko się zgadza, ale „jest jeden haczyk”: rezystancja uzwojenia transformatora impulsowego i zwykłego transformatora z rdzeniem żelaznym różni się diametralnie, przez co zaczyna mieć duży wpływ.

Żeby w moim przypadku wykorzystać całe uzwojenie, musiałbym albo zastosować mostek i obciążyć je w całości, ale wtedy napięcie wyniosłoby nie 15-20 V, tylko 30-40 V. Albo rozłączyć uzwojenia i połączyć je równolegle — właśnie tak planuję zrobić przy kolejnej przeróbce, tym bardziej że dostęp do uzwojenia jest tam łatwiejszy. (schemat D).




Podczas rozmieszczania podzespołów zastanawiałem się, jak najlepiej ułożyć całą elektronikę, i zdecydowałem się na rozwiązanie widoczne na zdjęciu. W efekcie wentylator chłodzi jednocześnie wszystkie podzespoły, a gorące powietrze jest wydmuchiwane na zewnątrz. Oczywiście muszę jeszcze zmierzyć temperaturę tranzystora przy pełnym obciążeniu, ale moim zdaniem wyszło nie gorzej niż wcześniej. W razie czego po prostu wymienię wentylator na wydajniejszy.


Przy wymianie przewodów prowadzących do tranzystora przypadkiem zauważyłem, że jego wyprowadzenia pozostawiono na pełnej długości. Zwykle je skracam, mniej więcej o połowę.


Podłączyłem większość przewodów i włączyłem urządzenie, żeby sprawdzić, czy całość w ogóle działa.


Potem podłączyłem pozostałe przewody i przy okazji zamontowałem przekaźnik zabezpieczający. Pisałem już, że w tym modelu obciążenia jest błąd w układzie: po uruchomieniu startuje ono z włączoną ładowarką, a jeśli zasilacz nie zdoła prawidłowo uruchomić „mózgu”, będzie bez końca ładować akumulator. Problem pojawia się w przypadku akumulatorów o stosunkowo niskim napięciu, na przykład litowo-jonowych, zwłaszcza gdy są całkowicie rozładowane. Przekaźnik załącza się z niewielkim opóźnieniem, a jego styki są włączone między wyjściem ładowarki a akumulatorem. W nowszych obciążeniach zastosowano przekaźnik sterowany przez mikrokontroler. Udało mi się nawet znaleźć pin odpowiedzialny za jego sterowanie, ale niestety mam starą wersję firmware'u, która tego nie obsługuje.


Uzwojenie wtórne transformatora podłączyłem za pomocą oryginalnego złącza — pomyślałem, że tak będzie schludniej.


Płytka adaptera Ethernet jest połączona z płytką główną czteroprzewodowym przewodem z żeńskimi złączami na obu końcach i podłączona do fabrycznego gniazda obciążenia elektronicznego.


Można powiedzieć, że prawie wszystko gotowe.



Ostatni szlif na tym etapie przeróbek. Pewnie zauważyliście czteropinowe złącze na przednim panelu. Często testuję akumulatory, więc żeby nie plątać się w wiecznie przeszkadzających przewodach, postanowiłem podłączać uchwyt za pomocą osobnego złącza. W drugim obciążeniu planuję zrobić tak samo.


No i teraz można wrócić do testów żywotności :)


W czasie przygotowywania recenzji i przerabiania obciążenia zdążyłem zamówić i odebrać jeszcze pięć adapterów — tak bardzo mi się spodobały. Zamówiłem je gdzie indziej; przy zakupie 5 sztuk wyszły po około 7.5 dolara za sztukę z dostawą.


No i tak, przyjaciele, jeśli chodzi o adaptery, mogę powiedzieć jedno: jestem zadowolony. Być może mają jakieś wady, ale jak dotąd ich nie zauważyłem — wszystko działa świetnie. Podłączenie jest banalnie proste: RX do TX, TX do RX, 5 V, masa. Oprogramowanie samo wykryło płytkę i utworzyło port wirtualny. I tyle!
A teraz o tym, co udało mi się uzyskać i co planuję jeszcze poprawić.
1. Dodałem sterowanie przez sieć lokalną. To wygodne — obciążenie nie jest już tak mocno przywiązane do biurka.
2. Przy okazji pojawiła się izolacja galwaniczna w obwodzie sterowania, więc nie będzie już pętli masy ani innych problemów.
3. Dodałem transformator, więc zewnętrzny zasilacz nie jest już potrzebny.
4. Zasilanie jest teraz również odizolowane galwanicznie, dzięki czemu można bez obaw używać urządzenia razem z oscyloskopem.
5. Dodałem zabezpieczenie przed nieprawidłowym uruchomieniem przy podłączonym akumulatorze.
6. Zamontowałem dodatkowe złącze do podłączania uchwytu na akumulator — jest znacznie wygodniej.
7. Uporządkowałem rozmieszczenie przycisków i złączy: plus jest po prawej, a przyciski są w kolejności -/+, a nie +/-

Co planowałem dodać
1. Dwa biegi wentylatora, do czego kupiłem wyłączniki termiczne. Na razie odpuściłem. Co więcej, wstawiłem w obwód zasilania wentylatora rezystor 300 Ω, więc teraz wentylator cicho pracuje cały czas, a na pełną moc przełącza się na polecenie obciążenia.
2. Ręczne przełączanie napięcia zasilania: 12/20 V. Ponieważ jednak zastosowałem transformator 12 V, na razie z tego zrezygnowałem. Najpewniej zrobię to w kolejnym obciążeniu.
3. To nie tyle dodatek, co konieczność. Po kilku latach pracy płytka sterująca ucierpiała wskutek ciągłych cykli termicznych i przesunęło się jej zero, czyli na przykład zamiast prądu 1 A podczas ładowania/rozładowywania faktycznie otrzymujemy na przykład 1,02 i 0,98. Jeśli lekko odkształcić płytkę, parametry wracają do normy — próbowałem poprawić luty, ale problem nie zniknął i nie sądzę, żeby kalibracja pomogła.

O czym zapomniałem — dopiszę później
1. Złącze do podłączenia zewnętrznego, mocnego zasilacza 24 V. Potrzebne do pracy z akumulatorami wysokonapięciowymi, na razie kwestia otwarta.
2. Galwanicznie izolowane wejście sterujące przez konwerter USB-UART.


W każdym razie projekt jest jeszcze w trakcie realizacji, ale już podoba mi się to, co z niego wychodzi.