Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

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atzensepp
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Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 26 Aug 2022, 21:58

Hallo,

da es mir Lichtwellenleiter (LWL) momentan angetan haben, habe ich mal eine bidirektionale optische Datenübertragungs-Strecke zusammengestöpselt.
Empfänger-Reflexe, erkennbar auf Papierstreifen hinter Farbfilterfolie.
Empfänger-Reflexe, erkennbar auf Papierstreifen hinter Farbfilterfolie.
Bidirektionale_UEbertragung.jpg (160.6 KiB) 1444 mal betrachtet
Der LWL wird in beide Richtungen genutzt. Upstream wird grün gesendet und Downstream rot. Die hellen LEDs werden jeweils über als Strahlteiler fungierende Mikroskop-Objektträger durch kurz-brennweitige Linsen (25 mm) in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. In der Durchgangsrichtung nehmen Fototransistoren hinter Farbfilterfolien das Signal von der jeweils anderen Seite auf.
Bidirektionale optische Datenübertragung über LWL
Bidirektionale optische Datenübertragung über LWL
Empfaenger-Reflexe.jpg (154.35 KiB) 1444 mal betrachtet
Bei richtiger Justage schalten die Transistoren voll durch. Nun könnte man mal probieren, welche Datenrate man da durch bekommt.
Die Anordnung ist zugegebenermaßen noch etwas klobig, kommt aber mit wenigen Fremd-Teilen aus. Mit den ft-Linsen geht es auch. Aber wegen der längeren Brennweiten wird der Aufbau dann noch größer. Statt der Foto-Transistoren gehen natürlich auch die LDRs.

Für weitere spannende Versuche wie eine optische Übertragung von I2C-Signalen eines Abstandssensors auf einer rotierenden Scheibe wäre noch eine drahtlose Energieübertragung (Rotationstransformator?) wünschenswert.

Florian

Edit: Mir ist eingefallen, dass I2C so nicht gehen wird, da man noch einen unidirektionalen Kanal für Clock bräuchte. Also noch eine Farbe. Evtl. eine Zweifarb-LED auf der Master-Seite und einen weiteren Farbseparator auf der Slave-Seite. Oder man verwendet ein anderes serielles Protokoll.

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steffalk
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von steffalk » 27 Aug 2022, 10:45

Tach auch!

Was ein wundervolles Experiment. Da bin ich gespannt, wie weit Du kommen wirst!

Gruß und viel Erfolg,
Stefan

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 27 Aug 2022, 13:40

Und hier nun eine erste 3-Kanalversion
Dreikanal-Übertragung
Dreikanal-Übertragung
Dreikanal.jpg (166.19 KiB) 1343 mal betrachtet
Upstream (Master): Senden: Rot + Blau, Empfangen: Grün
Downstream (Slave): Senden: Grün, Empfangen: Rot + Blau

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PHabermehl
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von PHabermehl » 27 Aug 2022, 15:03

Ich sag' mal: Applaus! Wenn darüber noch I2c läuft... Aber auch so ein tolles Experiment, freue mich auf Fortsetzung.

Gruß Peter
https://www.MINTronics.de -- der ftDuino & TX-Pi Shop!

viele Grüße
Peter

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uffi
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von uffi » 28 Aug 2022, 12:33

Schönes Experiment und beeindruckend, wie das mit den 3 Farben funktioniert!

Für den Einsatz an einem Modell erscheint es mir aber zu aufwendig. Da würde ich lieber zwei Glasfaserkabel für die beiden Übertragungsrichtungen verwenden und das Taktsignal aus dem Datensignal wiederherstellen. Das ist das übliche Vorgehen bei Signalübertragung mit Licht und da gibt es passende Elektronikschaltungen dafür (Clock Recovery Circuit).

Gruß, uffi

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 29 Aug 2022, 10:45

Auch wenn es schön aussieht, die Empfindlichkeit meiner Phototransistoren für Blau ist deutlich geringer als für rot und grün. Daher ist es besser, die zwei Reflexionen (nur 10%) an den Glasplatten für "blau" zu vermeiden und den Detektor für Blau in Verlängerung des LWL zu setzen. Das kann man durch Tausch von Rot und Blau-Filter. Besser als blau wäre IR, da die Phototransistoren dafür optimiert sind. Hierzu bräuchte ich einen IR-Sperrfilter und einen IR-Durchlassfilter (aus Fernbedienung).

Ich werde auch noch mal ausprobieren, ob man Rot und Blau auch direkt schräg einkoppeln kann. Dann entfallen die Verluste an den Strahlteiler-Provisorien. (bei den großen Core-Durchmessern (1mm) sollte das klappen)

Hallo uffi: Mir schwebt so was vor wie https://www.vishay.com/docs/84901/optic ... system.pdf
Alles über eine LWL hat den Vorteil, dass man Einkopplung in einen LWL, der in einer Achse steckt hinbekommt. Aber evtl. geht es auch mit mehreren dünnen LWL durch eine Achse, was auszuprobieren wäre. Damit könnte man zumindest im "beengten rotierenden System" elektronische Standard-Teile verwenden. Und: Noch einfacher wäre ein betteriebetriebener ESP32 im rotierenden System, der über Wifi sendet und empfängt.

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 29 Aug 2022, 13:05

Als 3-Farb-Sender würde sich die superhelle 3-Color LED LL-5-8000 RGB von Lucky Light mit 8000 mCd eignen.

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 01 Sep 2022, 23:30

Die Foto-Transistoren sind von sich aus leider sehr langsam (15us). Und wenn ich die Empfindlichkeit mit großem Vorwiderstand erhöhe ist es erwartungsgemäß noch schlimmer.

Daher versuche ich es gerade mit Fotodioden. Leider sind meine Elektronik-Kenntnisse nicht so gut ausgeprägt.
Da ist es für mich eine Herausforderung, 100 kHz Signale (langsamster I2C) einer Photodiode (BWP34) sauber hochzuverstärken.
Die mit Abstand besten Ergebnisse hatte ich noch mit einer Darlington-Schaltung aus 2 npn Transistoren.
PD.jpg
PD.jpg (83.38 KiB) 999 mal betrachtet

Die geht dann bis etwa 20 kHz.
PD2.jpg
PD2.jpg (191.53 KiB) 999 mal betrachtet
Ich habe schon rumgegoogelt und diverse Transimpedanzverstärker-Schaltungen mit Operationsverstärkern gesehen.
Das hier schien mir nützlich: https://www.ti.com/lit/pdf/tidu535

Die Ergebnisse mit meinen schnellsten Opamps LM6181, CA3130 und TBA222 sind ernüchternd. Entweder schwingen die Schaltungen bei Beleuchtung oder sie sind nicht empfindlich genug. Vielleicht ist auch der fliegende Aufbau auf dem Steckboard der Stabilität nicht zuträglich.

Eigentlich sollte so etwas doch Standard sein. Hat vielleicht jemand der geneigten Elektronik-Wissenden aus dem Forum eine Idee, welche Schaltung geeignet sein könnte?

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uffi
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von uffi » 02 Sep 2022, 18:31

Hallo atzensepp,

Es gibt fertige Empfänger für Deinen Zweck. Z.B. dieser hier, der 125kbit/s schafft:

http://www.digikey.de/product-detail/de ... -ND/243780

Gruß, uffi

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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 02 Sep 2022, 21:50

Hallo uffi,

Vielen Dank für diesen ausgezeichneten Hinweis. Das habe ich gesucht.

Inzwischen bin ich mit einem schnellen Operationsverstärker und ein paar Kondensatoren etwas vorangekommen.
Habe keine kleiner als 2pF. Hätte nicht gedacht, dass ich so was mal brauchen könnte.
Dateianhänge
Signal bei optimaler Einstellung
Signal bei optimaler Einstellung
CA3130b.jpg (144.82 KiB) 888 mal betrachtet
Schaltung mit Opamp CA3130
Schaltung mit Opamp CA3130
CA3130a.jpg (143.64 KiB) 888 mal betrachtet

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uffi
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von uffi » 03 Sep 2022, 10:20

Gratulation, das sieht ja schon sehr gut aus!
Ich glaube, Du könntest aus der Schaltung noch mehr rausholen, indem Du dem nicht-invertierenden Eingang statt Masse eine geringe positive Vorspannung (Bias) gibst (ca. 1V), z.B. über einen Widerstandsteiler von der positiven Versorgungsspannung, mit einer kapazitiven Entkopplung am Eingang.
Aber evtl. hast Du das nur nicht dargestellt in Deiner Skizze.

Ein solcher Bias hat zwei Vorteile:
1. Die Fotodiode arbeitet in ihrem Sperrbereich effizienter
2. Der Verstärker arbeitet nicht direkt an der Außengrenze seines Arbeitsbereiches.

Gruß, Dirk

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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 11 Sep 2022, 01:24

Inzwischen habe ich zwei Schaltungen, die bis 100 kHz zufriedenstellend arbeiten.

Die erste Schaltung ist eine mit schnellen Operationsverstärkern. Ich denke, dass durch Verwendung einer symmetrische Spannungsquelle Uffis Vorschläge erfüllt sein müssten oder?
PD-Verstärker mit Operationsverstärkern<br />(Der unbeschriftete Widerstand beim 2-en OPAMP ist 20k-50k)
PD-Verstärker mit Operationsverstärkern
(Der unbeschriftete Widerstand beim 2-en OPAMP ist 20k-50k)
PD-Opamp.jpg (153.63 KiB) 681 mal betrachtet
(Den kleinen Kondensatoren im pf-Range kann man durch Verdrillung zweier Massendrähte selber herstellen. Man legt so lange Wicklungen auf, bis die Oszillationen am Opamp verschwinden.
PFC.jpg
PFC.jpg (132.15 KiB) 681 mal betrachtet
)

Die zweite Schaltung ist eine mit 2 Kleinsignaltransistoren und kommt mit nur einer Spannungsebene aus.
PD-Verstärker mit Transistoren
PD-Verstärker mit Transistoren
PD-Transistoramp.jpg (151.02 KiB) 681 mal betrachtet
Ich muss zugeben, obwohl das Prinzip ganz einfach ist: Das Ganze ist im Grenzbereich meiner Möglichkeiten und man kommt vom 100sten zum 1000sten und meine anfängliche Euphorie ist inzwischen auch etwas abgeklungen.

Beispiel:
Trotz hoher Lichtleistung der LED durch die Optiken geht sehr viel verloren: Das Licht geht jedes Mal durdch 2 Strahlteiler.
Bei Glasplatten hat man nur ca. 10-20% Reflexion. Der Durchmesser meiner kurzbrennweitigen Linsen ist etwas zu klein, so dass auch hier wieder Licht verloren geht. Rot ist kein Thema aber die Empfindlichkeit der Photodioden sackt im grünen und blauen Bereich deutlich ab. Die Elektronik muss dann sehr hoch verstärken, so dass hier auch EMI eine Rolle spielt. Lange Drähte zu Leuchtdioden, durch die dann auch große Ströme fließen gilt es zu vermeiden. Auch die Photodioden sollte man bei den gewünschen Zielfrequenzen nicht durch ungeschirmte Drähte anschließen.

Ich habe beschlossen, erst mal eine RS232 Kommunikation mit 2 Kanälen über einen LWL zu versuchen. Mit I2C käme dann noch ein blauer Kanal hinzu, der noch mal weitere Strahlteiler erfordert. Darüber hinaus bräuchte man bei I2C noch eine Erkennung, wer gerade sendet oder eine Tristate-Erkennung.

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uffi
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von uffi » 15 Sep 2022, 19:23

Ich denke, dass durch Verwendung einer symmetrische Spannungsquelle Uffis Vorschläge erfüllt sein müssten oder?
Das sehe ich auch so.

Gruß, uffi

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 15 Sep 2022, 23:58

Mit diesem "Rig" habe ich eine optische RS232-Verbindung mit 230400 Baud hinbekommen.
Aufbau RS232 über LWL mit 2 Farben
Aufbau RS232 über LWL mit 2 Farben
RS232-Opto1.jpg (160.61 KiB) 450 mal betrachtet
Getestet wurde mit einem Arduino-Mega, der eine 2te serielle Schnittstelle hat. Die "Serial1" (Serial0 ist die Standardschnittstelle zum PC) wurde mit einem FTDI-RS232-USB-Wandler an den PC übertragen. Zwischen Mega und FTDI habe ich dann den optischen Übertrager eingebaut. Auf dem großen Steckboard sind die Empfänger mit den LF355/LF357 Opamps. Das kleine Steckboard enthält die Sender-Treiber und die Übergabeverdrahtung an das FTDI-Board.

Die 2 9V-Block-Batterien habe ich verwendet um die Spannung für die Sende-Dioden zu boostern. Die blitzen auch nur kurz auf und "simmern" im Grundzustand leicht vor sich hin.

Der asymmetrische Aufbau hat mehrere Gründe:
Erstens hat die grüne LED eine kleinere Divergenz als die Rote. Zweitens musste ich beim "roten" Receiver einstweilig eine andere Fotodiode verwenden. Vor der ist noch mal eine Linse, da diese Fotodiode eine kleinere Empfängerfläche hat. Drittens haben die ft-Linsen einen größeren Durchmesser, so dass mehr vom Grünen durch kommt.

Als Strahlteiler habe ich 50/50-Strahlteilerwürfel verwendet. Der große Strahlteiler ist sogar ein dichroitischer Strahlteiler aus einem Beamer. Der trennt rot, grün und blau auf, was gut ist falls ich doch noch mal was mit 3 Kanälen (I2C, SPI u.s.w.) ausprobieren will. Blau wird nämlich noch eine Stufe "härter", weil die Dioden noch weniger empfindlich dafür sind.
Upstream-Station (Sendet rot, empfängt grün), Receiver-Diode: BPW34
Upstream-Station (Sendet rot, empfängt grün), Receiver-Diode: BPW34
RS232-Opto2.jpg (161.32 KiB) 450 mal betrachtet
Mit der Baudrate bin ich sehr zufrieden, lässt sie doch hoffen, dass dann auch I2C mit 100kHz gehen sollten. Wenn man den elektronischen Aufbau noch gescheit macht, gehen vielleicht auch 400 kHz. Aber für I2C brauche ich noch eine Inspiration, wie ich die Sende-Richtung erkennen kann. Vielleicht sollte ich es erst mal mit SPI probieren. Da sind Sender-und Empfänger-Rollen klar verteilt.
Dateianhänge
Downstream-Station (sendet grün, empfängt rot); Receiver-Diode BPX?? (die andere BPW34 ist drauf gegangen)
Downstream-Station (sendet grün, empfängt rot); Receiver-Diode BPX?? (die andere BPW34 ist drauf gegangen)
RS232-Opto3.jpg (136.65 KiB) 450 mal betrachtet

atzensepp
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Re: Bidirektionale optische Uebertragung über Lichtleiter

Beitrag von atzensepp » 18 Sep 2022, 23:45

Ein Ansatz, die Strahlteiler zu vermeiden ist es die LEDs schräg in den Wellenleiter einzukoppeln:
Schräge LWL-Einkopplung
Schräge LWL-Einkopplung
LWL-Modes2.jpg (83.23 KiB) 348 mal betrachtet
Die Divergenzen der blauen und roten LED sind unterschiedlich und man kann dann einen netten Effekt beobachten:
Das Licht der roten LED kommt als Ring heraus.
Dateianhänge
Ringmode
Ringmode
LWL-Modes.jpg (143.14 KiB) 348 mal betrachtet

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