Проблемы формирования сигнала в кодировке Manchester-II

При геофизических каротажных работах имеется специфическая вещь -- передача по кабелю и питания и сигналов. Поскольку зачастую кабель одножильный, то по одному и тому же проводу в одну сторону (от наземного оборудования к датчикам зонда) поступает питание, а в обратном направлении -- происходит передача информации. Это обстоятельство оказывает влияние на архитектуру системы для получения данных.

Чтобы подать питание много усилий прилагать не надо.

Для примера, у нас, допустим имеется кое-какие измерители и датчики, которые питаются от напряжения 24 В. Зная омическое сопротивление кабеля можно прикинуть какое напряжение мы должны подавать на кабель, чтобы к датчикам пришли положенные 24 В. Это легко.

Сложнее понять -- как (каким способом) нужно передавать данные, чтобы они были приняты без ошибок. Вот тут-то начинается магия и шаманство.

Для передачи данных по геофизическому кабелю обычно используется кодированный (модулированный) сигнал в коде Manchester-II. Суть этого кодирования заключается в том, что каждый информационный бит передаётся не уровнем сигнала (не уровнем напряжения или тока), а изменением уровня. Другими словами -- передача нулевого бита ( бит логического нуля) -- это перепад уровня сигнала с единицы на ноль. Передача единичного бита -- перепад уровня с нуля на единицу. При этом перепады уровней между битами могут происходит, а и могут не происходить.

Важно другое. Важно, что сигнал, модулированный в коде Manchester-II не имеет постоянной составляющей. А это значит, его можно легко примешать к напряжению питания, а на другом конце отделить от питания. Никто никому не помешает.

Рассмотрим вопрос -- как получить такой сигнал.

15-20 лет назад, в эпоху микроконтроллеров легендарной фирмы ATMEL, сигнал можно было получить относительно легко из модуля UART. Модуль UART конфигурировался на передачу синхронных данных, а сигналы микроконтроллера TXD и XCK подавались на микросхему Исключающего-ИЛИ. На выходе получался желанный Manchrester-II, который можно было подавать на вход передатчика.

Как я уже упоминал в предыдущей статье (https://aftershock.news/?q=node/1270327), скорость передачи по геофизическому кабелю весьма небольшая. Поэтому UART программировался на скорость работы 9600 или 10000 Бод (в зависимости от требований заказчика).

Получить сигнал в Manchester-II можно точно так же при использовании модуля SPI -- Используются сигнала MOSI и SCK. Однако есть нюансы, которые могут перечеркнуть этот способ.

Дело в том, что SPI позиционируется как высокоскоростной интерфейс. Ключевое слово -- "высокоскоростной". Так просто заставить работать модуль SPI  на частоте 10 кГц и ниже не получится. Точнее вопрос звучит так -- заставить-то можно, но что при этом придётся потерять?

Дело в том, что предделители (с помощью которых определяется скорость работы модуля) у микросхем с ядром AVR имеют максимальное значение 128. Это значит, что если микроконтроллер работает на частоте 8 МГц, то минимальная частота, на которую можно запрограммировать скорость работы SPI, составляет 8 МГц / 128 = 62.5 кГц.

Для геофизического кабеля это очень много. Снизить частоту SPI можно только уменьшением тактовой частоты микроконтроллера.

Пойдём обратным путём. Допустим, мы хотим передавать данные по кабелю со скоростью 10 Кбит/с, это значит, тактовая частота микроконтроллера должна быть 10 кГц * 128 = 1.28 МГц. Эта частота примерно на порядок ниже, чем обычно на которой работают эти микроконтроллеры.

Дебет с кредитом немного не сходятся.

Не-е, в принципе, конечно, можно запустить работу микроконтроллера на частоте 1-1.5 МГц. Но как мне кажется, вычислительной мощности на другие задачи может и не хватить. Хотя, опять же -- смотря какие (ещё) задачи должен выполнять микроконтроллер. Вполне может оказаться, что такой низкой частоты тактирования будет вполне достаточно.

Несколько лучшим образом эта же ситуация выглядит у микроконтроллеров типа STM32 и CH32V. У этих микроконтроллеров имеется дополнительный предделитель, который находится между линиями тактирования ядра и линиями тактирования шин. Да, в отношении этих микроконтроллеров можно сохранить высокую скорость работы ядра, но в жертву придётся принести скорость работы шины периферийных устройств.  Это всё же лучше, но целиком дилеммы не снимает.

Есть ещё один способ формирования сигнала в кодировке Manchester-II. Я имею ввиду полностью программный способ. Иначе говоря микроконтроллер сам (по программе) управляет дёрганием одной из своих ножек.

Преимущества этого метода в том, что не требуется внешней микросхемы и частота сигнала практически ни отчего не зависит -- можно задавать любую (в разумных пределах, конечно!)

Недостаток метода в том, что микроконтроллер должен тратить свою вычислительную мощность. Ведь микроконтроллер выполняет, как правило, не одну задачу, и хватит ли ему вычислительной мощности, чтобы дополнительно заниматься ещё и формированием выходного сигнала?

Я немного поигрался с методом программного формирования сигнала. Да. работает. Запас мощности микроконтроллера даже у ATTINY2313, работающей на частоте 7.37 МГц имеется. Его вполне достаточно для работы с АЦП, для подсчёта CRC и других задач. Более того, при правильном построении программы я увидел, что джиттер (дрожжание фронтов или, другими словами -- нестабильность по времени формирования фронтов сигнала) составляет менее одной микросекунды, что можно считать крайне не существенным.

Программный способ формирования сигнала в микроконтроллерах STM32 и CH32V я не проверял. Думаю, что там будет не хуже.

---

Таким образом, создать сигнал в кодировке Manchester-II не очень сложно. Конечно, нужно потрудится, чем-то пожертвовать, но принципиально получить такой сигнал реально. Гораздо сложнее обратно раскодировать этот сигнал.