Comunicación: 2 circuitos alimentados por batería, 1 conductor, sin conexión a tierra común

TL; DR que debo hacer es transmitir con éxito una onda a través de un solo conductor entre dos circuitos alimentados por batería sin tierra común. Ya sé cómo crear la onda y detectar la onda cuando hay un suelo común, pero no sé cómo diseñar un circuito que pueda detectar la onda sin el suelo. Mi alcance conectado a tierra con el receptor puede detectar la onda.

Mis amigos y yo estamos construyendo una caja de esgrima de código abierto para anotar partidos (el tipo de esgrima con espadas). La esgrima competitiva se califica electrónicamente mediante el uso de una espada equipada con un botón y chaquetas hechas de material conductor. Queremos mejorar los diseños existentes disponibles en la actualidad que requieren carretes mecánicos costosos para mantener la tensión en los cables.

Para resumir, necesitamos poder comunicarnos a través de un "cable" (la espada) entre dos Arduinos. Nuestro plan era usar los generadores PWM de Arduino para generar tonos que luego pueden ser detectados por FFT de las entradas analógicas del otro lado. Estamos usando 7 tonos totales entre las frecuencias de 9khz y 18khz. Tenemos todo eso funcionando muy bien. El problema es lo que pasa cuando vamos a pilas y no hay puntos en común. La señal PWM va de 5 V de pico a pico a 1,2 V de pico a pico. No entiendo por qué sucede esto. Cualquier aclaración aquí sería apreciada.

¿Alguien puede recomendar un diseño de circuito para transmitir una onda sobre 1 conductor entre dos sistemas sin tierra común? (Y amplificándolo en el otro extremo si es necesario) Creo que tendrá que ser similar a la tecnología de radio. Alternativamente, puedo intentar tomar lo que tengo y alimentarlo a algún tipo de amplificador y ver si puedo funcionar con eso, pero odio hacer eso sin comprender las fuerzas en juego, y hasta ahora ninguno de los circuitos que he intentado han reaccionado a la señal.

Alguna información adicional:

Tenemos un botón en la espada. Siempre podemos detectar la presión de ese botón y usarlo para apagar/encender el transmisor, de modo que si no podemos diferenciar entre tocar y no tocar a través de la atenuación de la onda, podemos hacer que no transmita cuando no hay contacto.

Para resumir, enviar una señal entre dos dispositivos a través de un solo conductor, sin otras conexiones o comonalidades, es imposible . El voltaje está referenciado fundamentalmente a tierra, sin tierra no se puede tener una medida de voltaje. El hecho de que su sistema funcione se debe a que los dos sistemas se acoplan de alguna manera fuera de la conexión de un solo cable.
¿Quieres decir que cuando las espadas tocan quieres detectar el hecho? Si es así, eso es potencialmente factible. Ot=r es swot=rd para el cuerpo o... Por favor, sea muy, muy, muy específico sobre lo que desea detectar. Las comunicaciones de corto alcance que usted describe pueden ser de radio infrarrojo o posiblemente capacitivas o inductivas (también conocidas como electromagnéticas). Explique EN DETALLE EXACTAMENTE lo que quiere lograr. NO CÓMO crees que quieres lograrlo 9 eso también, pero es secundario)
@Fake Name Entonces, ¿las radios funcionan por arte de magia?
@Philip, o se sabe que las radios irradian. ES DECIR. Necesitan algo que acople energía ya sea en el campo cercano (que parece ser el caso) o en el campo lejano.
@Philip: la radio no requiere una ruta de retorno, pero no tendrá radio en las frecuencias y distancias indicadas. Todo eso será un campo muy cercano, lo que significa que la señal no solo se propaga por sí misma a través del espacio. Además, la radio no sería buena ya que el OP quiere sentir el tacto. Según tengo entendido, no querría que se disparara a 10 mm de distancia, por ejemplo. Necesita que no se propague por sí solo.
@Philip: parece que el OP se ha dado por vencido con esta pregunta. No ha vuelto desde el día que se hizo la pregunta.
De hecho, estoy trabajando con él en este proyecto. Estaba a punto de hacer una pregunta similar aquí cuando vi que ya había preguntado. Todavía estoy digiriendo la página wiki sobre "campo cercano y lejano". Mis disculpas por la lenta aceptación, pero ambos somos ingenieros de software que trabajamos fuera de nuestro campo.
@Russel McMahon, lo que queremos detectar específicamente es si el cable de salida de un arduino tiene conectividad con el pin de entrada de otro arduino cuando no comparten un terreno común. El camino saldría del arduino, a través de un cable, a través de la espada, a través del cojo (chaleco de malla de alambre) del oponente, a través de otro cable y hacia el arduino del oponente.
@Philip: No va a funcionar desde una salida digital a otra entrada digital. Necesitará algunos circuitos de acondicionamiento de señal en el extremo receptor.
@Philip, actualice su pregunta.
@Philip: si desea ayuda, debe ser parte del diálogo. Hice una pregunta en mi respuesta hace 4 días que tú y David han ignorado hasta ahora. Hago preguntas por una razón. Sin una respuesta de su parte, el proceso se estanca.
Perdón por las respuestas tardías a todos, pensé que Expert Exchange me iba a enviar un correo electrónico cuando la gente respondiera y no fue así. Nunca he usado la plataforma antes. Estoy muy contento de que todos ustedes estén interesados ​​en nuestro proyecto de código abierto. Muchas gracias.
@David HInkle - Dios mío, esto no es un intercambio de expertos. Ese sitio es una abominación. Además, puede activar las alertas por correo electrónico, pero están desactivadas de forma predeterminada. ¡Stack-exchange no cree en enviar spam a la gente!
@David: Es incorrecto suponer que solo porque las personas están dispuestas a ayudar a responder su pregunta, están "interesadas en su proyecto de código abierto". Debe dar un paso atrás y darse cuenta del impacto insignificante de su pequeño proyecto en el universo y la gente aquí. Estar dispuesto a ayudar y dar una mierda a dos cosas muy diferentes.
Solo estaba tratando de expresar aprecio :) Gracias por su ayuda hasta ahora. No quise dar a entender que de ninguna manera te importa :)
Oooh Olin me gustas!

Respuestas (3)

Habrá una vaga conexión capacitiva entre dos cuerpos separados cualesquiera. La capacitancia de esta conexión variará con muchos factores, incluyendo el área de la superficie, la distancia, la humedad, la fase de la Luna, el precio del té en China, etc. Realmente no es posible predecir ni siquiera dentro de un orden de magnitud cuál será la capacitancia. será en un día cualquiera.

Por otro lado, si dos personas P y Q sostienen espadas X e Y que no se tocan, es muy probable que, debido a que los cuerpos de las personas tienen un área de superficie mucho más grande que sus espadas, el capacitor PQ será grande en relación con PY y QX, que será grande en relación con XY. Para que un voltaje de CA en PX aparezca en QY, la corriente tendría que pasar a través del pequeño capacitor XY, que es muy pequeño, y parte de esa corriente regresaría inútilmente a través del capacitor QX. Por otro lado, si las espadas se tocan, entonces la corriente solo tendría que pasar por el capacitor PQ, mucho más grande.

Si bien uno tendría que hacer algunos experimentos para determinar el acoplamiento óptimo para los generadores de señales y los circuitos de detección de señales (mi recomendación probablemente sería usar un generador de onda sinusoidal de frecuencia única en cada traje, junto con algunos circuitos de tanque resonante LC, por lo que que cada circuito de entrada sería ciego a su propio generador y máximamente sensible al otro). Esperaría que con las espadas tocándose, la fuerza de la señal acoplada sea enormemente mayor que cuando no lo están.

Tenga en cuenta, por cierto, que las frecuencias más altas seguramente funcionarán mejor que las frecuencias más bajas, aunque si sube demasiado (creo que más de 100 KHz) comenzará a preocuparse por ser considerado un "radiador intencional".

Gracias por discutir algo de la teoría detrás de esta situación. ¿Tiene alguna recomendación sobre cómo detectar la onda sinusoidal?
Tendrás que experimentar. Le sugiero que diseñe un circuito con un filtro de paso de banda bastante estrecho que conduzca amplificadores de diferentes ganancias, que a su vez alimentan los canales ADC (por ejemplo, si tiene un ADC de 12 bits, haga que un canal alimente la señal al ADC con 5: 1 ganancia, una segunda con 500:1 y una tercera con 50.000:1). Haga que la CPU parpadee o emita ruidos para indicar qué canales están viendo señales y cuáles están saturados. Un ADC de 12 bits en un solo canal tendría un rango dinámico de 4000:1, pero con tres canales tendría un rango de 40 000 000:1.
Realmente no tengo idea de qué tan fuerte se captarían las señales en diversas circunstancias, y conectar cualquier tipo de aparato de laboratorio al dispositivo bajo prueba corrompería totalmente los resultados. Por lo tanto, tener un gran rango dinámico seleccionable maximizaría la probabilidad de alimentar algo útil a la CPU.
@Philip: Me gustaría saber qué se te ocurre. Volviendo a leer su pregunta original, una cosa que no tengo muy clara: ¿buscaba detectar toques entre las dos espadas, entre una espada y el oponente, o entre una espada y "cualquier cosa" que no sea la otra espada? En el último escenario, ¿necesitarías distinguir entre tocar "solo" la otra espada y tocar algo además de la otra espada?
@supercat Una vez que tengamos algo funcionando, pondremos un informe en alguna parte. Me aseguraré de vincularlo aquí. En cuanto a lo que necesitamos detectar; si, todo eso. Los toques se anotan cuando tu punta golpea el chaleco de metal del oponente. También se anuncian los objetivos fuera de lugar en cualquier otra cosa. Pero si su punta golpea su campana (parte de su espada), debe suprimirse sin timbre. Pensamos que podíamos usar diferentes frecuencias para determinar qué estaba golpeando qué y cuándo. Esto de no tener un terreno común es un obstáculo, pero lograremos algo juntos, incluso si tenemos que aumentar el costo y usar zigbee o algo así.
@Philip: Si necesita detectar contactos entre la espada de un concursante y las cosas que no son espada del otro concursante, incluso mientras toca la espada del otro concursante, entonces creo que necesitará usar diferentes frecuencias para las dos espadas para los dos chalecos Haga que la salida de cada "transmisor espada" esté cableada para que aparezca como un circuito abierto en la frecuencia del otro transmisor. Detecta un chaleco golpeado buscando la frecuencia de ese chaleco en la espada. Detecte un golpe de "cualquier otra cosa" buscando que cambie la impedancia de la espada.

A esta frecuencia y distancia, no obtendrá una onda autopropagante que no tenga referencia para recibir. Le guste o no, solo detectará una señal diferencial, y la intensidad de la señal y la impedancia de esa señal dependerán de la impedancia de todo el bucle, incluida la conexión de retorno de "tierra".

Sin embargo, esto no significa que deba tener una conexión de retorno cableada específicamente. Cada señal puede utilizar el cuerpo como referencia. Los dos cuerpos tendrán alguna conexión a través del suelo o de otras partes del entorno. El otro polo de cada señal estaría en la espada del lado emisor y en la chaqueta del lado receptor. Obtendrá algo de acoplamiento, aunque será una impedancia bastante alta. Esto significa que el receptor captará ruido. Debe diseñar el protocolo con el cuidado suficiente para que el ruido tenga muy pocas posibilidades de confundirse con la señal real.

De hecho, estoy sorprendido de que obtenga tanto como 1.2 Vpp en el receptor sin una conexión de retorno deliberada. Esto variará en función del material del piso. Cuanto más conductivo, mayor es el nivel de la señal. En cualquier caso, 1,2 Vpp debe estar muy por encima del ruido, entonces, ¿cuál es exactamente el problema? Una señal tan fuerte debería ser fácil de detectar, aunque haría que el receptor respondiera mucho más bajo porque lo más probable es que suceda en diferentes situaciones.

Gracias por tus comentarios. Sabemos cómo detectar la ola cuando los terrenos están atados. Cuando los terrenos no están conectados, mi osciloscopio (conectado a tierra al receptor) puede detectar la onda, pero mi circuito no puede. Mi comprensión de la ingeniería eléctrica no es muy fuerte. (Soy programador). Mi suposición es que, aunque tengo una fluctuación de voltaje, hay muy poca capacidad para transportar corriente, por lo que cada vez que pongo cualquier tipo de carga, el voltaje simplemente se reduce a nada. No sé cómo construir un circuito que pueda detectar y amplificar la forma de onda entrante.
1.2Vpp es lo que obtenemos uno al lado del otro en el escritorio. Lo probaremos con todo el equipo y lo probaremos esta noche para ver si falla. Tampoco estamos casados ​​con estas frecuencias, si cree que otras frecuencias son mejores, podemos pasar a ellas.
No es gran cosa si podemos detectar la onda cuando los dispositivos no se tocan. Debido a que las espadas tienen un botón, podemos manipular la espada para que solo transmita cuando el botón está presionado si no es posible detectar tocar vs no tocar en función de la atenuación. Todavía nos gustaría que el sistema tuviera el menor alcance posible, no queremos poder recogerlo desde varios pies de distancia en otra caja.

Estás pensando en esto mal. Estás pensando en esto como una forma de comunicación por contacto. Pero como no tienes un circuito cerrado, eso no es lo que quieres. Hay al menos dos buenas maneras de hacer esto: las mismas dos formas en que funcionan las luces activadas por contacto.

Una forma es usar lo que es esencialmente un medidor de capacitancia. Cuando hagas contacto, la capacitancia aumentará. Generalmente, haces esto haciendo un oscilador e incluyendo la sonda como parte de la parte capacitiva del oscilador. Cuando la sonda hace contacto con algo, la capacitancia aumentará, ralentizando el oscilador. Detectas esta caída repentina en la frecuencia. Puede detectar algo específico dándole una gran cantidad de capacitancia.

La otra forma es usar a la otra persona básicamente como una antena. A través del mundo civilizado, todos estamos bañados en el zumbido de 60 Hz o 50 Hz de nuestro cableado eléctrico. Un cuerpo humano hace una antena decente en estas bajas frecuencias. Cuando su sonda hace contacto con algo que conduce a un cuerpo humano, el nivel de zumbido de 50 Hz o 60 Hz detectado en la sonda aumentará. Detectas este aumento repentino en el zumbido. (Tenga en cuenta que esto no funcionará en un bosque o en lugares sin electricidad. Y no puede distinguir un objeto de tamaño humano de otro).

De hecho, podría inducir específicamente un "zumbido" en la persona y detectar ese zumbido. Básicamente, estaría utilizando a la persona como una antena de alcance ultracorto. Manténgase por debajo de 9Khz y 1mW.

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