Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Feedback zur Schaltung: Differenzielle digitale Datenübertragung


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von Markus (curiosus)


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Hallo zusammen,

erst einmal herzlichen Dank an alle für dieses tolle Forum!
Ich selbst bin zwar mit der Softwareentwicklung vertraut,
doch bei elektronischen Schaltungen bin ich ein absoluter Anfänger.
Seid mir daher nicht böse, wenn ich Fragen stelle, die euch nerven und
gebt gerne entsprechend Quellen zum Lernen an :)\
Jetzt zu meinem Projekt:

**Ziel**:\
Es soll eine differenzielle digitale Datenübertragung full-duplex über 
ein langes Kabel (100m bis 1km) stattfinden.
Es werden dabei 4 Adernpaare (Data-In, Slope-In, Data-Out, Slope-Out) 
mit +/- 5V DC verwendet.

**Proof-Of-Concept**:\
Um zu sehen, ob mein Ansatz überhaupt vom Prinzip funktioniert,
habe ich zwei Arduinos (ATMega 328PU & ATMega 2560) über 8 TTL-RS485 
Adapter
miteinander verbunden (s. Foto).
Beschränkt durch die Geschwindigkeit der µC (und ohne 
Übertragungsstrecke) bin auf ca. 50kBit/s gekommen.

**Schaltung**:\
Ich möchte nun eine Lochplatine mit allen wesentlichen Bauteilen 
bestücken.
Den Schaltplan dafür habe ich im Folgenden skizziert.
Wie bereits erwähnt habe ich noch keine Erfahrung und bin
daher über jegliche Anregungen, Feedback, Kritik dankbar :)

**Fragen**:
- Bauteile:
  - Habe ich überhaupt die passenden Bauteile gewählt?
  - Fehlt irgendetwas?
- Kondensator(en) am DC-DC Wandler:
  - Sollte am Eingang auch ein Kondensator sein?
  - Wie kann ich jeweils die richtige Kapazität dimensionieren?
- Widerstände an den Opto-Kopplern:
  - Wie werden diese dimensioniert (ich habe einfach das Beispiel aus 
dem Datenblatt kopiert, würde aber gerne wissen, wie man auf die Werte 
kommt)?
- Abschluss-Widerstände:
  - Ich habe diese mal mit 100 Ohm angesetzt, um z.B. Ethernetkabel 
anzuschließen.
    Doch was mache ich, wenn ich ein Kabel mit anderer Impedanz nutze?
    Macht es überhaupt Sinn, die Abschlusswiderstände auf die Platine zu 
setzen?
    Oder würde unterschiedliche Widerstände verbauen und dann über einen 
Jumper
    konfigurieren?
- Sonstiges
  - Was gilt es sonst noch zu beachten?
  - Was kann ich verbessern?

Vielen Dank bereits im Voraus!

Beitrag #7821178 wurde vom Autor gelöscht.
von Wastl (hartundweichware)


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Markus schrieb:
> - Was gilt es sonst noch zu beachten?
>   - Was kann ich verbessern?

Dich klar ausdrücken und spezifizieren.

Was ist Slope-In, Slope-Out? Slope bedeuted Flanke, Steigung und
vieles mehr: das ist in einem System wo Nullen und Einsen
vorherrschen schwer zu verstehen.

Entscheidend für dein Konzept ist die erwünschte bzw. geplante
Datenrate auf den Leitungen. Davon habe ich nichts gelesen.
Also vielleicht funktioiert's auch mit Rauchzeichen?
Siehe "Habe ich überhaupt die passenden Bauteile gewählt?".
Ja, wofür denn genau ....

Markus schrieb:
> **Ziel**:\
> Es soll eine differenzielle digitale Datenübertragung full-duplex über
> ein langes Kabel (100m bis 1km) stattfinden.

Bisschen dürr für die "Zielsetzung".

Markus schrieb:
> - Kondensator(en) am DC-DC Wandler:
>   - Sollte am Eingang auch ein Kondensator sein?

Kommt auf den Wandler an den du verwendest. Davon sehen wir nichts.

von Markus (curiosus)


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> Was ist Slope-In, Slope-Out? Slope bedeuted Flanke, Steigung und
> vieles mehr: das ist in einem System wo Nullen und Einsen
> vorherrschen schwer zu verstehen.

Das Slope Signal ist die XOR Verknüpfung vom Daten Signal und dem Clock 
Signal. Doch das dürfte an dieser Stelle eigentlich egal sein welche 
Logik auf den Bus gelegt wird. Wir haben also einfach 4 Signale, die 
differenziell übertragen werden sollen.

> Entscheidend für dein Konzept ist die erwünschte bzw. geplante
> Datenrate auf den Leitungen. Davon habe ich nichts gelesen.

min: 10kBit/s
ziel: 2MBit/s
max: 20MBit/s

>> Es soll eine differenzielle digitale Datenübertragung full-duplex über
>> ein langes Kabel (100m bis 1km) stattfinden.
>
> Bisschen dürr für die "Zielsetzung".

was fehlt dir?

> Kommt auf den Wandler an den du verwendest. Davon sehen wir nichts.

Im Schaltplan habe ich den Wandler TEA1-0505 vermerkt: 
https://www.tracopower.com/model/tea-1-0505

: Bearbeitet durch User
von Jens K. (jensky)


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Markus schrieb:
>> Entscheidend für dein Konzept ist die erwünschte bzw. geplante
>> Datenrate auf den Leitungen. Davon habe ich nichts gelesen.
>
> min: 10kBit/s
> ziel: 2MBit/s
> max: 20MBit/s
>
>>> Es soll eine differenzielle digitale Datenübertragung full-duplex über
>>> ein langes Kabel (100m bis 1km) stattfinden.

Du könntest bei den Längen noch Impulstransformatoren einbauen, für 
galvanische Trennung. Mit einem passenden PHY davor -> Ethernet

von Clemens L. (c_l)


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Markus schrieb:
> max: 20MBit/s
> bis 1km

Das schafft kein Kabel.

Und Fototransistor-Optokoppler schaffen auch nicht viel mehr als 10 
kbit/s. Suche dir einen geeigneten Digital-Isolator heraus (z.B. 
ISO6742).

Der SN75176 ist uralt. Robuster wäre z.B. THVD1520, oder alle Kanäle 
integriert im SN65C1167E.

> was mache ich, wenn ich ein Kabel mit anderer Impedanz nutze?

Die Terminierung sollte die selbe Impedanz wie das Kabel haben.

Ein Transceiver will nicht weniger als 60 Ω sehen; 2× 100 Ω parallel = 
50 Ω wäre eine zu große Last. Aber bei einer unidirektionalen Verbindung 
brauchst du keine Terminierung am Sender.

> Macht es überhaupt Sinn, die Abschlusswiderstände auf die Platine zu
> setzen?

Wenn du weißt, was für Kabel du verwenden wirst. Mit der RJ45-Buchse 
hast du dich schon festgelegt.

> Es werden dabei 4 Adernpaare (Data-In, Slope-In, Data-Out, Slope-Out)
> mit +/- 5V DC verwendet.

Die differenzielle Spannung ist bei RS-422/485 niedriger als ±5 V. Ein 
Treiber generiert mindestens ±2 V über die Terminierung; beim Empfänger 
müssen mindestens ±200 mV ankommen.

von Markus (curiosus)


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> Du könntest bei den Längen noch Impulstransformatoren einbauen,

Du meinst als Alternative zu den Optokopplern? Kannst du mir irgend ein 
Modell empfehlen?

> Mit einem passenden PHY davor -> Ethernet

Du meinst ein Physical Layer Device? Ist das dann nicht ein kompletter 
Ethernet Treiber?

von Markus (curiosus)


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> Das schafft kein Kabel.

ok, danke, das ist gut zu wissen :)

> Und Fototransistor-Optokoppler schaffen auch nicht viel mehr als 10
> kbit/s. Suche dir einen geeigneten Digital-Isolator heraus (z.B.
> ISO6742).

Perfekt, danke für den Hinweis!

> Der SN75176 ist uralt. Robuster wäre z.B. THVD1520, oder alle Kanäle
> integriert im SN65C1167E.

Der SN65C1167E sieht sehr interessant aus, danke!

> Ein Transceiver will nicht weniger als 60 Ω sehen; 2× 100 Ω parallel =
> 50 Ω wäre eine zu große Last. Aber bei einer unidirektionalen Verbindung
> brauchst du keine Terminierung am Sender.

ok, verstehe.

>> Macht es überhaupt Sinn, die Abschlusswiderstände auf die Platine zu
>> setzen?
>
> Wenn du weißt, was für Kabel du verwenden wirst. Mit der RJ45-Buchse
> hast du dich schon festgelegt.

ne, das mit der RJ45-Buchse war erst einmal nur so eine Idee, aber 
vielleicht überdenke ich das nochmal ;-)

> Die differenzielle Spannung ist bei RS-422/485 niedriger als ±5 V. Ein
> Treiber generiert mindestens ±2 V über die Terminierung; beim Empfänger
> müssen mindestens ±200 mV ankommen.

hmm... also für mich ist der RS-485 Standard gar nicht so wichtig, da 
ich ja mit keinem anderen Gerät kompatibel sein muss, ich dachte 
einfach, dass ich die Bauteile davon verwende.
Aber verstehe ich dich richtig, dass auch ein anderer Spannungspegel als 
±5 V Sinn machen könnte?

Danke auf jeden Fall schon mal für's Feedback! :)

: Bearbeitet durch User
von Clemens L. (c_l)


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Markus schrieb:
> Aber verstehe ich dich richtig, dass auch ein anderer Spannungspegel als
> ±5 V Sinn machen könnte?

Jeder Standard hat seine eigenen Pegel. Bei differenzieller Übertragung 
(RS-4xx, LVDS, USB, PCIe, etc.) sind die Pegel meist kleiner.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Clemens L. schrieb:
> Markus schrieb:
>> max: 20MBit/s
>> bis 1km
>
> Das schafft kein Kabel

Naja, ob das die Herren Shannon und Hartley auch so sehen?
Klar - mit "morsen" auch wenns differentiell ist, wirds wohl eher nix.
Was mir bei dem PoC Bild im ersten Post aufgefallen ist: Das wichtigste 
fehlt - ich sehe keine Kabeltrommel. Ich sehe auch keine Signalformen, 
die so aussehen, als waeren sie 1km ueber ein Kabel gegangen...

Ansonsten wuerde ich doch eher zuerst mal die exakten, wirklich 
geforderten Bedingungen festzurren und dann belastbare Infos ueber "das 
Kabel" beschaffen.
(Daempfung ueber Frequenz, etc.)

Dann nach irgendeinem fertigen, getesteten, nicht zu exotischen Standard 
suchen, der das kann.
Fuer "ordinaeres Ethernet" wirds wohl etwas lang sein, aber vielleicht 
gibts da irgendeine Geschmacksrichtung fuer laengeres Kabel. Oder 
sonstwas, keine Ahnung, aber das Problem, Daten ueber eine lange Leitung 
zu schicken, ist auch wirklich nicht exotisch. Da haben schon viele 
Leute, die das besser konnten, als hier alle zusammen, lange drueber 
nachgedacht.

Und auch wenn man das nur fuer sich und in Einzelstueckzahlen 
zusammenstuempern will: Auf Standards setzen. Bei so einem 
Standardproblem bloss nix eigenes entwickeln.

Gruss
WK

von Helmut -. (dc3yc)


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> Markus schrieb:
>> max: 20MBit/s
>> bis 1km
>
Naja, beides zusammen sicher nicht. Aber lies dich doch mal über den 
CAN-Bus ein. Das ist was robustes, das auch im KFZ verwendet wird. Aber 
bei einem Kilometer würde ich eher mit 100kbit rechnen. Und deine 
Arduinos werden ohne eigenen Buscontroller mit der Datenverarbeitung 
(und Fehlerkorrektur) auch ihre Probleme haben.

von Markus (curiosus)


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> Was mir bei dem PoC Bild im ersten Post aufgefallen ist: Das wichtigste
> fehlt - ich sehe keine Kabeltrommel. Ich sehe auch keine Signalformen,
> die so aussehen, als waeren sie 1km ueber ein Kabel gegangen...

Das hast du richtig erkannt :)
Die Kabelrolle liegt unterm Tisch und mein PoC war lediglich dazu da um 
mein Ansatz mit dem Data-Slope Encoding zu evaluieren, noch ganz ohne 
Übertragungsstrecke.

> Ansonsten wuerde ich doch eher zuerst mal die exakten, wirklich
> geforderten Bedingungen festzurren und dann belastbare Infos ueber "das
> Kabel" beschaffen.
> (Daempfung ueber Frequenz, etc.)

Guter Punkt, das werde ich mir später mal anschauen.

> Und auch wenn man das nur fuer sich und in Einzelstueckzahlen
> zusammenstuempern will: Auf Standards setzen. Bei so einem
> Standardproblem bloss nix eigenes entwickeln.

Da stimme ich dir absolut zu, solange es einfach nur darum geht das 
Problem zu lösen. Ich hätte dafür vermutlich einfach zwei ordentliche 
industrielle RS-485 Adapter für die Hutschiene gekauft. Dabei hätte ich 
aber überhaupt nichts über Elektrotechnik, Schaltpläne, Physik, etc. 
gelernt.
Ich hätte das vielleicht besser noch in meiner Einleitung erwähnen 
sollen, dass es hier um ein "Spaß"-Projekt mit Lerneffekt geht.

von Markus (curiosus)


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>>> max: 20MBit/s
>>> bis 1km
>
> Naja, beides zusammen sicher nicht.

Das stimmt, die 20MBit/s hätte ich auch eher bei so 10m erwartet.

> Aber lies dich doch mal über den
> CAN-Bus ein. Das ist was robustes, das auch im KFZ verwendet wird.

Ja, das werde ich mir auch nochmal anschauen, vielleicht finde ich da 
noch Inspirationen :)

> Und deine
> Arduinos werden ohne eigenen Buscontroller mit der Datenverarbeitung
> (und Fehlerkorrektur) auch ihre Probleme haben.

Definitiv! Die werden wohl eher für Anwendungen mit 10kBit/s reichen. 
Für etwas schnelleres würde ich dann vielleicht mal mit einem ARM 
basierten Board arbeiten. Und für die ganz schnellen Dinge werde ich 
wohl dann auf FPGAs setzen müssen.

Aber das erste Ziel wäre jetzt erst einmal eine funktionierende 
Schaltung, eine Leitung von z.B. 50m und den zwei Arduinos.
Wenn das erst einmal alles läuft, geht es weiter.

Meine Erfahrung aus der Software-Entwicklung ist zumindest, dass es 
sinnvoll ist, kleine aber vollständige Schritte zu gehen.
Ob das auf Elektrotechnik übertragbar ist kann ich nicht beurteilen, das 
könnt ihr mir vielleicht sagen :)

von Markus (curiosus)


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> Der SN75176 ist uralt. Robuster wäre z.B. THVD1520, oder alle Kanäle
> integriert im SN65C1167E.

BTW: Kannst Du einen Händler/Online-Shop empfehlen?

von Clemens L. (c_l)


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Markus schrieb:
> Kannst Du einen Händler/Online-Shop empfehlen?

Bei großen Händlern wie DigiKey und Mouser gibt es fast alles, aber die 
Versandkosten für kleine Bestellungen sind happig. Versender wie Conrad 
oder Reichelt, die sich auch an Privatkunden richten, kannst du 
benutzen, wenn sie die gewünschten Produkte zufälligerweise gerade 
haben. Bei LCSC gibt es auch chinesische Hersteller.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Markus schrieb:
> mein PoC war lediglich dazu da um
> mein Ansatz mit dem Data-Slope Encoding zu evaluieren,
OK, fuer den Bastelspass mag dieses Verfahren maximale Erfuellung 
bedeuten, ich kenne jetzt aber keine Uebertragungsart in der Praxis, die 
das so macht. Da ist eher sowas wie 8b10b (und Nachfolger), tm(ds), 
biphase, oder irgendwelches "scrambling" angesagt.

> Meine Erfahrung aus der Software-Entwicklung ist zumindest, dass es
> sinnvoll ist, kleine aber vollständige Schritte zu gehen.
> Ob das auf Elektrotechnik übertragbar ist kann ich nicht beurteilen, das
> könnt ihr mir vielleicht sagen :)
Sicherlich kann man das uebertragen. Nur sollten die kleinen 
vollstaendigen Schritte zum Ziel fuehren und nicht zu einem 
vermeintlichen Ziel, obwohl das "End"Ziel dann doch woanders ist...

Warum z.b. ich nach den Kabeleigenschaften frage, hat damit zu tun, dass 
man bei laengeren Leitungen und hoeheren Bitraten sich dann viel 
leichter tut, eine Chance auf Erfolg zu haben, wenn man einen (oder 2) 
Kabelequalizer verwendet. Das ist nicht so ganz trivial, wenn man's 
nicht fertig kaufen mag, daher sollte man ziemlich frueh schon wissen, 
ob man's ueberhaupt braucht. Und wenn man's braucht, ob das Kabel und 
dessen Laenge konstant sind, oder ob der Equalizer adaptiv oder 
zumindest einstellbar sein muss.
Nur mal so zum Gruseln:
https://en.wikipedia.org/wiki/Lattice_and_bridged-T_equalizers

Dann kommen noch so Sachen dazu, dass man bei hoeheren 
Uebertragungsraten doch auch etwas HW-Unterstuetzung braucht, um die 
Daten mit moeglichst wenig CPU-Beteiligung in/aus den/m Speicher zu 
schaufeln...
Also alles sowas, was man doch von Anfang an mal beruecksichtigen kann, 
um sich das Leben zu erleichtern.

Gruss
WK

von Markus (curiosus)


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>> mein PoC war lediglich dazu da um
>> mein Ansatz mit dem Data-Slope Encoding zu evaluieren,
> OK, fuer den Bastelspass mag dieses Verfahren maximale Erfuellung
> bedeuten,

ja, bisher bin ich sehr vergnügt :)

> ich kenne jetzt aber keine Uebertragungsart in der Praxis, die
> das so macht. Da ist eher sowas wie 8b10b (und Nachfolger), tm(ds),
> biphase, oder irgendwelches "scrambling" angesagt.

Ich habe mich da vom Space-Wire System inspirieren lassen. Allerdins ist 
das System auf kurze Strecken (max. 20m) und hoche Geschwindigkeit (bis 
200Mbit/s) ausgelegt.

> Warum z.b. ich nach den Kabeleigenschaften frage, hat damit zu tun, dass
> man bei laengeren Leitungen und hoeheren Bitraten sich dann viel
> leichter tut, eine Chance auf Erfolg zu haben, wenn man einen (oder 2)
> Kabelequalizer verwendet. Das ist nicht so ganz trivial, wenn man's
> nicht fertig kaufen mag, daher sollte man ziemlich frueh schon wissen,
> ob man's ueberhaupt braucht. Und wenn man's braucht, ob das Kabel und
> dessen Laenge konstant sind, oder ob der Equalizer adaptiv oder
> zumindest einstellbar sein muss.

verstehe.
Ich habe mir jetzt mal das Kabel (was ich geschenkt bekommen habe) 
angeschaut. Ich schätze es sind ca. 80m, also natürlich nicht 
representativ, aber wie gesagt ein kleiner Schritt ;-)
Mit dem Arduino habe ich mir ein Rechtecksignal erzeugt und am Ende des 
Kabels ein Poti angehängt und ihn so eingestellt, dass das Signal 
einigermaßen in Ordnug aussieht. Danach habe ich den Poti an ein 
Multimeter geklemmt und bin auf 81,3 Ohm gekommen. Vermutlich sind es in 
der Realität dann eher 75 Ohm, das würde zumindest dazu passen, dass im 
Netz bei diesen EIB-Kabeln eine "Schleifenimpedanz" von 75 Ohm angegeben 
wird. Ist das dann die Impedanz, die man für den Abschlusswiderstand 
wählt? Oder vermische ich da gerade was?

Naja, ich werde wohl noch etwas warten bis ich noch mehr gelernt habe, 
bevor ich mir eine Kabeltrommel mit 1km für sehr viel Geld anschaffe.

> Nur mal so zum Gruseln:
> https://en.wikipedia.org/wiki/Lattice_and_bridged-T_equalizers

Ok, der Grusel-Effekt funktioniert ;-)

: Bearbeitet durch User
von Heinz-Maria (waselfingen)


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Mal ganz dumm gefragt: brauchst du das privat oder gewerblich?

von Markus (curiosus)


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> Mal ganz dumm gefragt: brauchst du das privat oder gewerblich?

Bisher einfach nur privat und Just for Fun. Aber wenn ich es irgendwann 
einmal gewerblich benötigen würde, dann würde ich mir eine Person/Firma 
suchen, die davon wirklich Ahnung hat, mit dem Vorteil, dass ich dann 
ein kleines bisschen besser verstehen kann, was die Profis da dann 
machen :)

Wieso die Frage?

von Ob S. (Firma: 1984now) (observer)


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Markus schrieb:

> Das Slope Signal ist die XOR Verknüpfung vom Daten Signal und dem Clock
> Signal.

Damit wird das Datenleitungspaar hyperfluid. Das, was du da auf dem 
Slope-Signalpaar transferierst (und nur das!) ist tatsächlich für eine 
diffentielle Übertragung geeignet und es enthält Takt und Daten. 
Herzlichen Glückwunsch zur Neuentdeckung des Manchester-Codes...

von Heinz-Maria (waselfingen)


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Markus schrieb:
> Wieso die Frage?

Just for Fun. Weil das gewerblich zuhauf existiert.

von Markus (curiosus)


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> Bei großen Händlern wie DigiKey und Mouser gibt es fast alles, aber die
> Versandkosten für kleine Bestellungen sind happig. Versender wie Conrad
> oder Reichelt, die sich auch an Privatkunden richten, kannst du
> benutzen, wenn sie die gewünschten Produkte zufälligerweise gerade
> haben. Bei LCSC gibt es auch chinesische Hersteller.

Danke dir!

Ich hatte zuvor schon eine erste Bestellung bei Reichelt getätigt und 
jetzt zumindest mal die suboptimale Variante aufgebaut (s. Foto). Ohne 
weiteres intensiven Testen funktioniert das zum Glück schon mal :)
Jetzt schau ich mir noch die anderen Bauteile genauer an.

von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:

erstens: Deine RJ45-Beschaltung ist falsch. Für differentielle Signale 
willst du die verdrillten Adernpaare benutzen. Die Paare sind auf Pin 
1-2, 3-6, 4-5 und 7-8. Diese Belegung hat historische Gründe - das Paar 
4-5 war das erste, dann brauchte man ein zweites Paar 3-6, und dann hat 
man den Stecker von 4 auf 8 Pole erweitert und die Paare 1-2 und 7-8 
hinzugefügt.

Was ist Dir wichtiger - Bitrate oder Länge?

Eine Methode, die es schon sehr lange gibt, ist die 20mA Stromschleife. 
Da hast Du einen Stromkreis mit einer Stromquelle, einem Transistor und 
einer LED. Wenn der Transistor durchschaltet, leuchtet die LED. LED und 
Transistor können Teil von Optokopplern sein, und die Optokoppler können 
ziemlich weit voneinander entfernt sein. Die Leitungslänge ist nicht 
kritisch, weil die Stromquelle die Spannung soweit nachregelt, bis 
wieder die 20mA fließen. Damit konnte man Kilometer überbrücken. Früher 
hat man das fürs Fernschreiben genommen.
Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/TTY-Schnittstelle

Wenn Du Deinen Ansatz verfolgen willst, sieh Dir RS422 an:
https://de.wikipedia.org/wiki/EIA-422

Der Abschlusswiderstand kommt immer an die Empfängerseite, nicht an die 
Sendeseite.

Transceiverbaustein: z.B.
https://www.analog.com/en/products/max3081.html
Davon bräuchtest Du zwei.
Die Bausteine gibt es mit verschiedenen Geschwindigkeiten, von schnell 
und empfindlich bis langsam und unempfindlich. Du möchtest einen von der 
langsamen Sorte haben.
Für die Isolierung gibts passende ICs. Z.B:
https://www.analog.com/en/products/max14936.html
Da sind 4 Kanäle drin, in jede Richtung 2. Klein, stromsparend und 
schneller, als Du es bräuchtest.

Für eine reale Anwendung über viele km würde man aber eher was anderes 
nehmen, z.B. Glasfaser oder bei geringen Datenraten ein Modem.

fchk

von Markus (curiosus)


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>> Das Slope Signal ist die XOR Verknüpfung vom Daten Signal und dem Clock
>> Signal.
>
> Damit wird das Datenleitungspaar hyperfluid. Das, was du da auf dem
> Slope-Signalpaar transferierst (und nur das!) ist tatsächlich für eine
> diffentielle Übertragung geeignet und es enthält Takt und Daten.
> Herzlichen Glückwunsch zur Neuentdeckung des Manchester-Codes...

Wenn ich dich richtig verstehe, könnte ich mir das Daten-Signal (und 
damit 4 Adern) sparen, wenn ich eine Manchester-Codierung nutzen würde, 
oder?

Ich hatte übrigens völligen Blödsinn geschrieben (sorry!), ich meinte 
**Data** und **Strobe**, nicht Slope (s. [1]).

Ich vermute mal, dass sich die Köpfe hinter SpaceWire sicherlich etwas 
dabei gedacht haben, warum sie nicht nur eine Leitung mit dem Manchester 
Code definiert haben.
In einem SpaceWire Guide (s. [2]) habe ich folgendes gefunden:

> The reason for using DS encoding is to improve the skew tolerance to
> almost 1-bit time, compared to 0.5 bit time for simple data and clock encoding.

Das heißt doch, dass die Zuverlässigkeit die richtigen Daten zu 
dekodieren höher ist, oder?

Aber die Idee die Manchester-Codierung für SpareWire zu nutzen scheint 
auch nicht neu zu sein (s. [3]).

[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Data_strobe_encoding
[2]: 
https://www.star-dundee.com/spacewire/spacewire-users-guide/spacewire-links/signal-level/data-encoding/
[3]: https://ntrs.nasa.gov/citations/20150000266

: Bearbeitet durch User
von Markus (curiosus)


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> erstens: Deine RJ45-Beschaltung ist falsch.

Sehr aufmerksam :)
Ich denke, dass die Idee RJ45 doch nicht so gut ist. Zumal ich 
vielleicht doch auch durch die Anregungen von Ob S. und Dergute W. nur 2 
Adernpaare benötige.

> Was ist Dir wichtiger - Bitrate oder Länge?

Ich würde sagen, dass mir Zuverlässigkeit wichtig ist. Für kurze Stecken 
wäre es natürlich schön, man könnte auch eine höhere Geschwindigkeit 
nutzen, aber um auf deine Frage zu Antworten, würde ich mich im Zweifel 
für die Länge entscheiden.

> Eine Methode, die es schon sehr lange gibt, ist die 20mA Stromschleife.

Das hört sich sehr spannend an. Vielleicht baue ich mir testweise auch 
mal so ein System auf :)

> Wenn Du Deinen Ansatz verfolgen willst, sieh Dir RS422 an:
> https://de.wikipedia.org/wiki/EIA-422

Danke, ich hatte oft RS-485 im Auge, aber EIA-422 passt hier besser :)

> Der Abschlusswiderstand kommt immer an die Empfängerseite, nicht an die
> Sendeseite.

Ok, das macht jetzt Sinn, dass bei RS485 an beiden Seiten der 
Abschlusswiderstand ist, weil dort zwischen Sender und Empfänger 
gewechselt wird (also Halb-Duplex) und bei EIA-422 ich die Sender und 
Empfänger fest habe, richtig?

> Die Bausteine gibt es mit verschiedenen Geschwindigkeiten, von schnell
> und empfindlich bis langsam und unempfindlich.

Was sind die Kriterien für "unempfindlich"? Ich habe gesehen, dass 
manche für Temperaturen unter 0°C nicht geeignet sind, aber was gibt es 
sonst noch für wesentlich Kennwerte, an denen ich erkennen kann, wie 
"robust" die ICs sind?

von Bruno V. (bruno_v)


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Markus schrieb:
> Ich würde sagen, dass mir Zuverlässigkeit wichtig ist. Für kurze Stecken
> wäre es natürlich schön, man könnte auch eine höhere Geschwindigkeit
> nutzen, aber um auf deine Frage zu Antworten, würde ich mich im Zweifel
> für die Länge entscheiden.

Ich finde es gut,alles mit Schaltungen zu testen. M.E. hast Du 4 (für 
Dich neue) Bereiche für so hohe Datenraten und Kabellängen:
1) Ein Adernpaar pro Richtung oder Halb-/Voll-Duplex
2) Opto-Entkopplung bzw. Potentialfreiheit
3) Signalaufbereitung zur Symmetrie (high und low etwa gleich verteilt)
4) Leitungsimpedanz, ohmscher Widerstand und Kapazitäten

Duplex (1) würde ich von vornherein ausschließen, da es die Probleme 
vervielfacht. Und Verfahren mit Dominant/Rezessiv (z.B. CAN) erst recht.

Opto-Entkopplung (2) würde ich vorerst auslagern, da es evt. wegfällt 
und vermutlich auf eine Platine mit 2 galvanisch getrennten 
Spannungsversorgungen hinaus läuft, um das Signal nach der Trennung neu 
aufzubereiten.

(3) ist sowas wie Manchester-Code, FSK, 5B5B oder 4B3T 
(https://de.wikipedia.org/wiki/MMS43-Code)

(4) sind grundsätzliche Überlegungen wieviel Ohm ein 1km langes Kabel 
hat, was der Wellenwiderstand ist (also warum man ~100R am Ende haben 
sollte) und was das für das für den Spannungsteiler zwischen Sender und 
Empfänger bedeutet.

Nach den Untersuchungen für einfache Verfahren würde ich überlegen, 
fertige Systeme zu verwenden, z.B. 10MBit Ethernet über 2 Adernpaare. 
Mit Verwendung von symmetrischen Signalen kannst Du dann auch einfache 
Übertrager statt optokoppler einsetzen.

: Bearbeitet durch User
von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:
>> Der Abschlusswiderstand kommt immer an die Empfängerseite, nicht an die
>> Sendeseite.
>
> Ok, das macht jetzt Sinn, dass bei RS485 an beiden Seiten der
> Abschlusswiderstand ist, weil dort zwischen Sender und Empfänger
> gewechselt wird (also Halb-Duplex) und bei EIA-422 ich die Sender und
> Empfänger fest habe, richtig?

genau.

>> Die Bausteine gibt es mit verschiedenen Geschwindigkeiten, von schnell
>> und empfindlich bis langsam und unempfindlich.
>
> Was sind die Kriterien für "unempfindlich"? Ich habe gesehen, dass
> manche für Temperaturen unter 0°C nicht geeignet sind, aber was gibt es
> sonst noch für wesentlich Kennwerte, an denen ich erkennen kann, wie
> "robust" die ICs sind?

Das Kriterium ist die Geschwindigkeit. Transceiver gibts von 115kBit/s 
bis 25MBit/s. Die langsamen haben Filter an den Ausgängen, damit die 
Flanken nicht so steil sind und weniger Störungen verursachen, und sie 
haben Filter an den Eingängen, um kurze Störimpulse auszufiltern. Die 
schnellen haben das nicht, weil das dann die mögliche 
Übertragungsgeschwindigkeit beeinträchtigen würde - hier muss dafür die 
Übertragungsstrecke selber besser sein. Daher nimmst Du nur die 
Geschwindigkeitsklasse, die für Dich ausreichend ist.

fchk

von Markus (curiosus)


Angehängte Dateien:

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> Eine Methode, die es schon sehr lange gibt, ist die 20mA Stromschleife.

Ich frage mich, wie ich das genau Umsetzen könnte. Wenn ich im Netz 
danach suche, finde ich meistens die analoge 4-20mA Schnittstelle für 
Sensoren.
Ansonsten bin ich über "Current Mode Logic" (CML, [1]) gestoßen, scheint 
aber eher für High-Speed Anwendungen interessant zu sein.

Ich habe mal versucht selbst eine Schaltung zu skizzieren (s. Foto):
Ich konfiguriere zwei Spannungsregler (LM317) so, dass ich einmal eine 
4mA und einmal 20mA Stromquelle habe. Damit ich zwischen den beiden hin- 
und herschalten kann, nutze ich eine Transistor Wechselschaltung, so 
dass ich über HIGH, LOW an einem Pin eines µC entsprechend die 4mA oder 
20mA schalten kann.
Kann das funktionieren?
Wird das gerade zu exotisch? Oder warum finde ich wenig über digitale 
Übertragung mittels Stromschleifen nichts im Netz?

[1]: https://de.wikipedia.org/wiki/Current_Mode_Logic

von Bruno V. (bruno_v)


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Markus schrieb:
> Oder warum finde ich wenig über digitale
> Übertragung mittels Stromschleifen nichts im Netz?

Das war mal gut und simpel (direkte Ansteuerung von Optokopplern) und 
für >1k Kabel @9.6 oder so, aber schwierig bei hohen Datenraten*Längen. 
Auch fehlt die Symmetrie der Leitung (das mittlere Potential ändert sich 
bei high und low). Differenzielle Treiber mit verdrillten Leitungen sind 
da einfacher.

von Markus (curiosus)


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> Das war mal gut und simpel (direkte Ansteuerung von Optokopplern) und
> für >1k Kabel @9.6 oder so, aber schwierig bei hohen Datenraten*Längen.
> Auch fehlt die Symmetrie der Leitung (das mittlere Potential ändert sich
> bei high und low). Differenzielle Treiber mit verdrillten Leitungen sind
> da einfacher.

Danke für die rasche Antwort.
Dann werde ich wohl doch mal lieber den Ansatz über EIA-422 weiter 
verfolgen ;-)

von Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)


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Markus schrieb:
> EIA-422

Ist doch fast das gleiche.
Diese schnarchlangsamen Optokoppler werden in jedem Fall high speed 
übertragung wirkungsvoll verhindert.

Belegung des Steckers ist quatsch wenn du standard Ethernetkabel 
verwenden willst. Achte auf die verdrillten Paare.

von Markus (curiosus)


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> Diese schnarchlangsamen Optokoppler werden in jedem Fall high speed
> übertragung wirkungsvoll verhindert.

Was wäre denn eine Alternative um eine galvanische Trennung zu 
erreichen?
Einen MAX14936 wie von Frank K. vorgeschlagen?

> Belegung des Steckers ist quatsch wenn du standard Ethernetkabel
> verwenden willst.

stimmt. Den Ansatz habe ich jetzt bereits losgelassen ;-)

: Bearbeitet durch User
von Bruno V. (bruno_v)


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Markus schrieb:
> Was wäre denn eine Alternative um eine galvanische Trennung zu
> erreichen?
> Einen MAX14936 wie von Frank K. vorgeschlagen?
Ja. Oder Übertrager. Bei dem Max oder einem digitalen schnellen 
Optokoppler brauchst Du halt am Ende

Bruno V. schrieb:
> eine Platine mit 2 galvanisch getrennten Spannungsversorgungen [...]
> um das Signal nach der Trennung neu aufzubereiten.

(bzw. zu verwenden, also vor und nach dem Optokoppler bzw. Max)

: Bearbeitet durch User
von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:
>> Eine Methode, die es schon sehr lange gibt, ist die 20mA Stromschleife.
>
> Ich frage mich, wie ich das genau Umsetzen könnte. Wenn ich im Netz
> danach suche, finde ich meistens die analoge 4-20mA Schnittstelle für
> Sensoren.

Das ist ausgestorben wegen geringen Bitraten und der Statsache, dass 
dieses Verfahren in Kabelbündeln mit Telefonleitungen Störungen auf 
benachbarten Aderpaaren erzeugt hat. Das ist aber für Dich 
uninteressant.

4-20mA ist analog. Das ist was anderes.

TTY/20mA Stromschleife ist einfach nur an/aus. Transistor auf der einen 
Seite schaltet LED auf der anderen Seite. Die fehlende Symmetrie wie von 
Bruno_v bemängelt war damals egal. Der Vorteil war, dass ein Strom 
fließen musste, um eine 1 zu erzeugen, und 20mA sind mit Störimpulsen 
nicht so einfach zu erreichen. Und solange da nichts angezapft wird, 
müssen die 20mA auch wieder zurück, denen bleibt gar nichts anderes 
übrig.

In der Zeit davor hat man statt 20mA eher 50mA genommen und damit direkt 
den Magneten des Fernschreibers angesteuert. Und so ein Fernschreiber 
war damals mit 110 bps schon schnell. Das "damals" ist übrigens etwa 
60-70 Jahre her.

fchk

von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:
>> Diese schnarchlangsamen Optokoppler werden in jedem Fall high speed
>> übertragung wirkungsvoll verhindert.
>
> Was wäre denn eine Alternative um eine galvanische Trennung zu
> erreichen?
> Einen MAX14936 wie von Frank K. vorgeschlagen?

Ja. Von dieser Sorte haben die üblichen Verdächtigen wie Analog, TI, 
Skyworks,... etliche Varianten.

Wenn Du eine All-In-One Lösungen haben willst - die gibts natürlich 
auch.
https://www.ti.com/product/ISOW1412
https://www.analog.com/en/products/adm2687e.html

Da ist ALLES drin: RS422-Transceiver, Galvanische Trennung der Daten, 
galvanische Trennung und Übertragung der Versorgungsspannung. Den 
DC-DC-Wandler kannst Du Dir dabei auch sparen, Optokoppler etc auch. 
Gut, diese Teile sind nicht unbedingt billig, sparen Dir aber eine Menge 
externer Beschaltung.

fchk

von Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)


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Markus schrieb:
> Was wäre denn eine Alternative um eine galvanische Trennung zu
> erreichen?

Schnelle Koppler oder gleich Ethernet verwenden.

von Markus (curiosus)


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> Wenn Du eine All-In-One Lösungen haben willst - die gibts natürlich
> auch.
> https://www.ti.com/product/ISOW1412
> https://www.analog.com/en/products/adm2687e.html

Das ist ja phantastisch!
Der Spaß am Löten ist ist natürlich etwas geringer, aber die Freude an 
der Funktion dafür bestimmt größer ;-)

Danke!

von Markus (curiosus)


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Hallo zusammen,

nachdem ich jetzt jede Menge Freude am Tüfteln, Denken und Lernen hatte, 
kommt mir jetzt noch eine weitere Frage in den Sinn (oder solle ich das 
in einem separaten Thread fragen?):

Gibt es überhaupt irgendwelche Vorteile von EIA-422 gegenüber Ethernet 
bei einer Kabellänge von 100m? Ethernet scheint ja auch differenzielle 
Signale über 2 Adernpaare (bis 1Gbit/s) zu nutzen.

: Bearbeitet durch User
von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Ethernet ist nicht so "rustikal" - da kommen ueblicherweise ja noch 1..x 
SW-Layer drueber, da gibt's weniger handgestricktes und mehr 
standardisiertes, mit'm scope guckt man sich da auch seltener mal die 
Signale auf der Leitung an...
Ob das jetzt Vor- oder Nachteile sind, liegt im Auge des Betrachters...

Gruss
WK

von Pandur S. (jetztnicht)


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Ohne jetzt alles gelesen zu haben...
Full duplex bedeutet RS422. Bedeutet ein Aderpaar pro Richtung mit RS485 
Treibern. Da gibt es schon gute.
SN65HVD23D fuer 25Mbit auf 160m
SN65HVD24D fuer 3MBit auf 500m
Allenfalls laesst sich auch etwas machen mit LT1794, einem DSL Amplifier 
mit 200MHz und 500mA. Siehe Datenblatt

Der GND muss auf dem Kabel mitgefuehrt werden !!!!

Als Isolator empfehle ich die Magnetoisolatoren ADuM1301 oder aehnlich. 
Die koennen je nach typ bit 100MBit und sind problemlos. Im Gegensatz zu 
den Optoteilen.

Wenn man sich Protokoll Geschichten sparen will, allenfalls CAN bei 
kurzen Blocklaengen von 8 byte oder so, oder Arcnet fuer laengere 
Bloecke, zB COM20019, CM20020, COM20022, die steuern alle auch RS485 
Treiber an. Letzterer bis 10MBit.

Der Vorteil von RS422 gegenueber Ethernet ... Ethernet schreibt man 
nicht mehr wirklich selbst auf einem controller. Oft kommt dann auch 
noch Verschluesselung hinzu, zB SSL, HTTPS, und dergleichen. Bedeutet 
eigentlich einen 32Bit controller.
Waehrend RS422 gut mit kleineren controllern machbar ist.

Daher .. was soll womit verbunden werden.

: Bearbeitet durch User
von Bert (brt)


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Markus schrieb:
> Aber wenn ich es irgendwann
> einmal gewerblich benötigen würde, dann würde ich mir eine Person/Firma
> suchen, die davon wirklich Ahnung hat, mit dem Vorteil, dass ich dann
> ein kleines bisschen besser verstehen kann, was die Profis da dann
> machen :)

Die machen es mit Glasfaser.

Angenommen das Kabel wäre schon vorhanden und auf 1km Länge eingegraben, 
dann kann man sich Gedanken machen, z.B. mit DSL-Technik. Wenn das Kabel 
aber noch gekauft und verlegt werden muß dann geht man besser direkt auf 
Glasfaser, das ist um Längen einfacher, sicherer und zukunftsfähiger. 
Und bei 1km nicht wirklich teurer.

Grüße, Brt

von Pandur S. (jetztnicht)


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Das Problem mit dem Kabel sind die Umwelteinfluesse. Fuer schnelle 
temporaere Installationen wuerde man einen Magnettrenner allenfalls auf 
jeder Seite des Kabels verwenden. Auf laengere Zeitraeume sollte man mit 
einem Blitzeinschlag in der Naehe rechnen. Dann ist eine Isolation von 
diesen 2kV allenfalls etwas mager. Ja, man kann dann auf beiden Seiten 
des Kabels Erden, mit Ueberspannungsableitern usw. Das Risiko bleibt.. 
zerschiesse ich mir bei einem Blitzeinschlag den PC ..
Dann in der Tat besser auf Glasfaser, oder zumindest ein paar Meter.
Dann kommt das Kabel, oder die Glasfaser an die Umwelt... Beide mit 
Plastik aussen drum. Wie lange sind die Kabel und Faser UV bestaendig ?

von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:
> Hallo zusammen,
>
> nachdem ich jetzt jede Menge Freude am Tüfteln, Denken und Lernen hatte,
> kommt mir jetzt noch eine weitere Frage in den Sinn (oder solle ich das
> in einem separaten Thread fragen?):
>
> Gibt es überhaupt irgendwelche Vorteile von EIA-422 gegenüber Ethernet
> bei einer Kabellänge von 100m? Ethernet scheint ja auch differenzielle
> Signale über 2 Adernpaare (bis 1Gbit/s) zu nutzen.

Die geringere Komplexität wäre das einzige, was mir jetzt einfallen 
würde. Wobei dieses Argument eher vor 40 Jahren gezogen hat. Inzwischen 
ist die ganze Komplexität auf Chip-Ebene geschrupft. In den 70'ern waren 
das noch große Leiterplatten. Google mal nach "DEC LAN Bridge 100", wenn 
Du wissen willst, was ich meine.

Ethernet hat den großen Vorteil, dass es gleichspannungsfrei ist. Das 
gilt auch für Single Pair Ethernet. Dadurch bekommst Du eine galvanische 
Isolation praktisch geschenkt. Das vereinfacht vieles.

fchk

von Frank K. (fchk)


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Markus schrieb:

> Ethernet scheint ja auch differenzielle
> Signale über 2 Adernpaare (bis 1Gbit/s) zu nutzen.

Nein. Bei zwei Adernpaaren endest Du bei 100 MBit. GBit-Ethernet braucht 
alle 4 Adernpaare.

10Base-T1L ist 10MBit Single Pair Ethernet und geht bis 1000m über eine 
verdrillte Doppelader.

fchk

von Markus (curiosus)


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> Allenfalls laesst sich auch etwas machen mit LT1794, einem DSL Amplifier
> mit 200MHz und 500mA. Siehe Datenblatt

Interessante Idee.

> Der GND muss auf dem Kabel mitgefuehrt werden !!!!

Bei RS422? Wenn ich die Leitung galvanisch entkoppelt habe, dürfte es 
doch keine Probleme geben, oder? Oder meintest Du für den DSL-Ansatz?

> Der Vorteil von RS422 gegenueber Ethernet ... Ethernet schreibt man
> nicht mehr wirklich selbst auf einem controller. Oft kommt dann auch
> noch Verschluesselung hinzu, zB SSL, HTTPS, und dergleichen. Bedeutet
> eigentlich einen 32Bit controller.
> Waehrend RS422 gut mit kleineren controllern machbar ist.

Ja, guter Punkt.

> Daher .. was soll womit verbunden werden.

Das wird sich noch zeigen, aber vermutlich eine Kombi aus ein paar 
einfachen Sensoren und und Aktoren (evtl. über 8-Bit µCs angebunden), 
aber ich habe mich gefragt, ob man z.B. auch ein einfaches Audio-Signal 
für eine Gegensprechanlage übertragen könnte.

Als konkretes Beispiel:
Ein Gewächshaus welches mehr als 100m von einem Hof entfernt ist. Neben 
der Überwachung/Steuerung der Sensore/Aktoren, wäre es super, wenn man 
eine einfach gehaltene Gegensprechanlage zwischen Hof und Gewächshaus 
hätte.

von Markus (curiosus)


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> Wenn das Kabel
> aber noch gekauft und verlegt werden muß dann geht man besser direkt auf
> Glasfaser, das ist um Längen einfacher, sicherer und zukunftsfähiger.
> Und bei 1km nicht wirklich teurer.

Interessant, ich hätte jetzt gedacht, dass Glasfaser teurer wäre, aber 
überprüft hab ich das noch gar nicht.

**update**:
Ich sehe gerade, es gibt LWL Sende- und Empfangs Module für unter 10€, 
da könnte ich sogar mein kleines Arduino Beispiel statt mit RS422 auch 
mit LWL ausprobieren :)

**update 2**:
Hier hat bereits jemand ein passenden Blog-Beitrag dazu geschrieben:
https://electronicstree.com/arduino-optical-fiber-data-transmission/

: Bearbeitet durch User
von Bert (brt)


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Hallo Markus,

es kann auch sinnvoll sein auf Ethernet + Glasfaser zurückzugreifen. 
Dann kann man die Verbinsung auch für andere Dinge zusätzlich nutzen. 
Ethernet-Switches mit SFP-Slot sind mittlerweile auc hrecht preiswert, 
die SFPs ebenfalls.

Grüße, Brt

von Bruno V. (bruno_v)


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Markus schrieb:
> Gibt es überhaupt irgendwelche Vorteile von EIA-422 gegenüber Ethernet
> bei einer Kabellänge von 100m? Ethernet scheint ja auch differenzielle
> Signale über 2 Adernpaare (bis 1Gbit/s) zu nutzen.

Vermutlich ist Dein Problem nicht die Übertragung, sondern mir irgendwas 
anzufangen. Es gibt genügend Möglichkeiten, mit unterschiedlichster 
Komplexität und Kosten.

Einen Uart kannst Du mit dem kleinsten Pic und Cents bedienen, mit 
Lüsterklemmen und Telefondraht. Ethernet oder DSL erfordern andere 
Erfahrung, und Glasfaser quer durch Gebäude zu ziehen ist eine 
Herausforderung für sich.

Sieh zu, dass Dein Zeugs mit dem was Du kennst auf 10m funktioniert. 
Dabei wirst Du all die Erfahrung sammeln, die es braucht, einen 
konkreten Feldbus auszusuchen. Adressierung, Topologie, Durchsatz, 
Reichweiten, Verkabelungsaufwand, Power over, ... .

Am Ende wirst Du ein System mit ausreichendem Datendurchsatz und 
Entfernung finden. Ganz sicher. Notfalls über Lorawan oder Starlink.

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