LEDs bremsen am Bus?

[lorcan]

Jede Leitung hat eine Kapazität und einen sogenannten Wellenwiderstand.

Der Wellewiderstand hängt von der Frequenz ab.
Offene oder hochohmig abgschlossene Leitungen haben daher einen Terminations- oder Abschlusswiderstand, der dem Wellenwiderstand der Leitung entspricht. Du kennst evtl. noch die alten PC-Netzwerkkraten mit den Koaxialkabeln? Da mußte auch ein Abschluswiderstand dran.
Wenn diese Leitungen nicht abgeschlossen werden, d.h. mit einem Widerstand der dem Wellenwiderstand entspricht mit Masse verbunden werden, kann das Signal reflektiert werden, das offene Litungsende wirkt dann wie ein Spiegel und das Signal kommt zurückt.

Die Kapazität der Leitung sollte klar sein, da sollte ein vernünftiger Bustreiber helfen um steile Flanken zu erhalten und damit hohe Schalt- bzw. Signalfrequenzen.

[Besserwessi]

@iorcan:
Die steilen Flanken sollte man soweit möglich vermeiden. Dann kann man sich vieles von der Impedanzanpassung vereinfachen.

Bei den Controllern wird man die Daten kaum über 1 MB/s gebrauchen. Da sollte man dann mit Anstiegszeiten von ca. 100 ns noch keine Probleme haben, da hängt aber von den ICs und sonstigen Störungen ab. Die Leitungskappatzität sollte man eventuell mal Abschätzen. Jeder Zentimeter bringt ungefähr 1 pF und die Eingänge auch nochmal 1-5pF.
Man bräuchte wohl noch ein paar mehr Informationen zu dem BUS und dem Aufbau der Schaltung um da weiterhelfen zu können.


noch mal zum besseren Verständnis etwas zum Wellenwiderstand:

Der Wellenwiderstand gibt das Verhältnis von Spannung zu Strom zum Treiben einer gedachten undlichlangen Leitung an. Wenn nicht alzuviel Dämpfung (z.B. ohmscher Widerstand) im Spiel ist wird das duch das Verhältnis von Kappatzität und Induktivität bestimmt. Normalerweise ist der wellen Widerstand relativ unabhängig von der Frequenz. Normale Koaxialkabel haben z.B. 50-75 Ohm. Leitungen in Flachbandkabeln sowie normalbreite Leiterbahnen mit wenig Abstand ungefähr 100 Ohm. Mehr als ca. 300 Ohm sind fast nicht möglich.

Wenn eine Leitung einfach aufhört oder nur ein hochohmiger Eingang angeschlossen ist, verursacht eine ankommende Flanke dort Störungen. Es kommt mit der Flanke zu viel Strom an, weil ja keiner weiterfließen kann und dadurch steigt die Spannung kurzzeitig bis zu doppelten an und dann fließte der Strom wieder zurück in die Gegenrichtung und erzeugt ggf. am anderen Ende der Leitung noch mal Storungen die dann auch mehrmal hin und her laufen können. Wenn man sich die Signale auf einem Oszilloskop ansieht, kann man an den Flanke Überschwinger erkennen, die dazu führen können das das Signal auch nach einigen us noch nicht stabil ist.
Um das Refelktiern des Signals am Leitungsende und anfang zu vermeiden sollte der Ein bzw Ausgang den selben Widerstand wie der Wellenwiderstand der Leitung haben. Ein niederohmiger Treiber kriegt also einen Widerstand in Reihe und ein Hochohmiger Eingang einen parallel. Wenn man das an beiden Enden so macht, verliert man leider relativ viel vom Signalhub der Digitalsignale und verbraucht recht viel Strom. Da nur die hohen Frequenzen stören kann man dem Widerstand am Eingang einen relativ kleinen Kondensator in Reihe schalten. Durch den Serienwiderstand der hoffentlich zwischen Signal und LED hängt, sollte das Signal von der LED entkoppelt sein.

[MeckPommER]

@iorcan & Besserwessi:

danke für eure Ausführungen, nun ist mir die Problematik schon deutlich klarer! Ich stelle mir das Ganze - um es mir zu veranschaulichen - momentan wie Wasser in einem U-Profil vor mit den Controllern, die mit ihren Impulsen Wellen erzeugen. Ist das U-Profil an den Enden geschlossen, gibt es Reflexionen etc., und die empfohlenen Terminatoren sorgen für den "Abfluss" an den Enden um die Reflexionen zu verhindern.

Das mit dem verringerten Signalhub bei den nötigen (kleinen) Abschluss-Widerständen und der daraus resultierenden hohen benötigten Leistung für den Bus ist wirklich ein Problem, da die Atmegas nicht viel Leistung auf den Ports bieten und ich andererseits auch keinen Platz für Treiberstufen habe ...

.. aber dank eurer Hilfe habe ich nun wenigstens Anhaltspunkte und kann mich weiter schlau machen, meine Technik verbessern und das Problem bekämpfen

Gruß & THX MeckPommER

[MeckPommER]

Nachtrag:

Die LEDs waren tatsächlich am Problem unbeteiligt und bremsten den Datentransport in keinster Weise.

Nach einigem Nachdenken und Ausprobieren habe ich eine für mich wenigstens realisierbare Lösung gefunden.
Die Störungen bekomme ich nicht ganz unterbunden, dafür wäre zuviel Aufwand nötig mit Bustreibern etc. und die verbratene Leistung auf dem Bussystem wäre für meinen Bot auch nicht so schön.

Ich habe zwar den Bus mit Abschlusswiderständen terminiert, diese aber nicht so klein wie empfohlen (aber nicht machbar) gewählt. Das mindert zwar die Störungen, beseitigt diese aber nicht zu 100%.

Die Lösung meines Problems habe ich eher in der Software gefunden. Alle Programmteile der verschiedenen Controller habe ich in Assembler neu geschrieben und bessere Fehlerkorrekturen eingebaut. So liefert nun der Empfangscontroller das Signal des sendenden Controllers zu vergleichszwecken zurück und speichert das ankommende Signal erst, wenn der sendende Controller das zurückgegebene Signal als korrekt bewertet hat.
Etwas mehr Aufwand, aber sicherer und schneller. Momentan bin ich bei Datenraten von bis zu 120 Kilobytes pro Sekunde, was ja immerhin fast eine Verdopplung zur vorherigen Geschwindigkeit ist. Die reale Geschwindigkeit ist sicherlich noch etwas höher, aber die zu transportierenden Daten (128 Byte Blöcke) müssen ja ersteinmal von den Controllern bereitgestellt bzw. verarbeitet werden und das dauert ja auch so seine Zeit.

P.S.: Diesem Problemen auf die Spur zu kommen, ist mit nem Multimeter unmöglich. Einzig die Resultate von Änderungen lassen sich durch den Frequenszähler beobachten. Wenn ich mal groß bin, dann kaufe ich mir nen Oszilloskop ... ^^

[Vitis]

auch ne Möflichkeit währe differenzieller Datenbus

[Besserwessi]

@vitis:
Ein differentieller Bus wäre schön, aber da braucht man mehr Leitungen und definitiv spezielle Treiber und Empfänger. Wenn es nicht um sehr hohe Geschwindigkeiten geht kommt man noch ohne differentielle Übertragung aus.

Die Teileweise Terminierung ist schon eine Verbesserung. Bei den immer noch relativ niedrigen Geschwindigkeiten sollte aber vor allem die TErminierung an der Senderseite die beste Wahl sein. In der Regel ist das einfach ein Serienwiderstand von 50-100 Ohm. Neben der eigentlichen Terminierung werden die Flanken langsamer. Bei 0,5 bis 1 m Leitungslänge käme man auf etwa 100 pF Kappatzität und damit eine Zeitkonstante von etwa 10 ns. Dadurchwird die maximale Geschwindigkeit zwar etwas Begrentzt (ca. 10 MB/s), aber diese Grenze wird mit den AVRs ohnehin nie erreicht. Als Verteile hat man weniger Funkstörungen und fast kein zusätzlicher Stromverbrauch.

[MeckPommER]

Nun, das mit den Widerständen in Serie werde ich einfach mal ausprobieren und schauen, was sich so in Sachen Geschwindigkeit tut. Da die Module alle gesteckt sind, läßt sich dort ja relativ einfach ein Zwischenstück mit Widerstanden einfügen.

Da ich die Daten auf den Bussen Nibble-Weise übertrage (restlichen 4 Bits für Kontrollzwecke) liegen die Frequenzen derzeit bei ca. 200-300 KHz. Da hab ich ja noch viel Luft nach oben

Aber egal, wieviel es letztlich bringen mag: jede Optimierung macht das System besser, sicherer und schneller und erlaubt zusätzliche Funktionen. Ausserdem ist Projektende sicherlich nicht vor 2012 und wenn ich mir anschaue, was ich in den letzten 12 Monaten so geschafft und dabei gelernt habe, dann bin ich mir sicherer denn je, das für mich richtige Hobby zu haben

Manchmal ists nur für Aussenstehende ein wenig schwierig, nachzuvollziehen, warum man grade vor Glück aus dem Häuschen ist, nur weil irgendwo eine LED leuchtet und auf einer SD Karte ein Bild auftaucht