Interface LINKY fibre optique USB (2 ème partie)

Interface LINKY fibre optique USB (2 ème partie)

1.    La fibre optique de 1.5mm
2.    La cellule de réception
3.    Le "montage"
3 bis. Le vrai montage
4.    Energie, vitesse et câble FTDI
5.    Conclusions

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Avant Propos

Si vous commencez cette lecture le 24/07/2020, ne cherchez pas la 1ère partie, elle n'est pas encore publiée mais le sera très prochainement vers Aout/septembre (Reste à créer l'article, mais le montage fonctionne ! )

La disparition des interfaces séries type RS232 de la quasi-totalité des PC pose toujours des problèmes aux développeurs sur microcontrôleurs.
Des sociétés s'étaient penchées sur le sujet et j'en avais retenu une, sur les conseils d'un copain, il y a déjà quelques années, FTDI_CHIP qui vend un convertisseur USB/RS232 (TTL) implanté dans le connecteur d'un câble USB.

(J'avais eu plus avant, à l'époque d'XP, un câble convertisseur ATEN qui n'est maintenant plus compatible avec W10 et recréait les signaux "officiels" en +12 -12V ! C'est pourquoi je peste toujours sur l'absence en standard sur PC d'une simple liaison RS232  3 fils RX, TX, Gnd)

Mon but premier était de raccorder mon "beau compteur LINKY" en réalisant une transmission optique avec ce matériel officiel FTDI_RS232-5V.
J'ai donc utilisé ce câble USB/RS232-5V pour développer un très petit montage qui permettra de recevoir des trames optiques RS232 à 9600 bps.

Rien de fantastique, mais quelques difficultés cependant, surtout lorsque l'on considère que le signal RS232 transite en optique et qu'il utilise de la fibre plastique bas de gamme de 1.5mm destinée initialement à de simples effets lumineux.

Pourquoi cela ? Le fond du sujet est de rapatrier les données issues de mon compteur LINKY par la prise TIC.

(On traite dans cet article uniquement la partie encadrée en rouge du schéma de principe figurant en têrte d'article, c'est la conversion fibre optique/RS232 TTL) Le montage qui se branche sur la TIC fera l'objet d'un autre article.

La raison du passage en fibre est double : question de puissance, car la TIC LINKY ne peut pas délivrer plus de 130mW, avec une question de puissance du matériel d'émission radio mais aussi d'isolation galvanique.
Comme je n'ai pas d'émetteur radio adapté à cette fonction (vitesse à 9600bps, faible énergie et faibles dimensions), pas d'énergie à proximité du compteur, je suis contraint de moduler une simple LED comme moyen de transport des informations via la fibre.

A ce jour, pour mes 20 mètres de fibre, ce "véhicule lumière" de l'information consomme 3.7 mA au maximum pour 2.61V soit environ 30mW sur 5V, alors que mon émetteur radio prévu consommerait #80 mA soit plus des 130mW autorisés. Le fond du problème est quasiment concentré sur cette vitesse un peu élevée associée à une consommation qui dépasserait la spécification d'ENEDIS.
(Depuis, la mise au point a été réalisée et mon compteur LINKY a été installé en mode "historique" non pas à 9600 bps, mais à 1200 bps  sans que j'eusse à demander quoi que ce soit !!!)

Voilà la raison de ce montage, assez sommaire, mais comme souvent, tout n'est pas aussi simple que prévu....
Il faut avouer que j'avais réalisé un vrai montage un peu plus conséquent avec AOP, mais avec erreur d'inversion du signal, ce qui m'obligeait à recommencer, et j'ai cherché à l'éviter en réalisant ce "montage" qui est plus qu'anecdotique ! et qui fonctionne parfaitement.

Pourquoi commencer par le milieu de l'ensemble du sujet ? En effet il aurait été plus logique de commencer par la réalisation du montage TIC ?
En réalité c'est ce que j'ai fait, mais en cette période de confinement due au corona virus, (Mars/Avril 2020) je n'ai pas voulu ajouter de problèmes à la livraison d'électricité car on en avait réellement besoin. Aussi, le montage propre à la TIC avait été réalisé, mais non testé réellement sur le LINKY, car j'avais préféré m'abstenir de donner quelque chose dont je n'étais pas certain du fonctionnement, et de plus je n'avais pas les derniers optocoupleurs SFH620A. C'est maintenant chose faite !

Je donne simplement le principe retenu : L'adaptateur TIC transmettra à 1200/9600 bps à l'aide d'une simple LED et d'une fibre optique les informations vers un point d'analyse qui recevra alors les données. C'est ce point d'analyse provisoirement connecté à un PC qui est décrit ici, principalement pour la conversion de signaux lumineux en signaux électriques RS232 standard 1200 bps (5V seulement)

Pour information voici le lien qui définit les données et contraintes des TIC, publiées par ENEDIS. Vous pourrez ainsi constater qu'il y a des contraintes fortes pour les dimensions, mais aussi pour la partie électrique. Je vous invite à le télécharger pour mieux comprendre, (ou l'adresse ci-après. https://www.enedis.fr/sites/default/files/Enedis-NOI-CPT_54E.pdf)
(Vous en aurez besoin pour le montage (à venir) sur la TIC LINKY)

1.    La fibre optique de 1.5mm

Celle-ci était vendue sur Internet à un prix raisonnable aux environs de 10 Euros pour 50 mètres. Il est certain que la qualité optique n'est pas "industrielle" mais j'ai fait mes essais sur cette couronne de 50 mètres et les affaiblissements restent non négligeables, avec une certaine migration de la fréquence ou peut-être plus exactement une transmission différente suivant les composantes de la lumière visible émise par une LED blanche standard.

En effet la lumière initiale blanche de "belle intensité" lumineuse, donnée par une petite LED de 3mm alimentée sous # 5 mA (pour cet essai) évolue en un blanc légèrement verdâtre à l'autre bout de la fibre, 50 mètres plus loin, avec une intensité très nettement diminuée bien évidemment.

J'ai fait quelques essais en IR avec la même fibre et les résultats sont bien plus mauvais. Alors je resterai sur la lumière visible blanche, d'autant que VOIR les choses est toujours préférable, surtout au niveau amateur.

Il s'est avéré que pour couvrir cette distance en fibre optique, le courant nécessaire à la LED pour bien transmettre sur 50 mètres est d'avoir au moins 0.8V de delta entre "allumé et éteint" ce qui correspond à environ 5 mA (pour les 50 mètres).
Cette valeur est dictée essentiellement par la réception au niveau de la cellule, pour que le niveau soit suffisant, mais pas seulement….
Il n'est pas vraiment possible de réduire cette valeur du courant LED (Pour 50 mètres de fibre), car en dynamique, le signal est totalement déformé et devient inexploitable, mais ce sera possible pour des longueurs plus faibles.

A la suite, la photo du petit rectangle de plastique d'adaptation LED ou cellule, vers la fibre optique. (pseudo connecteur)

Cet adaptateur est taillé dans un petit morceau de plexiglas, percé  et taraudé. A noter que les petites vis de 2.5mm ne doivent pas toucher directement la fibre, mais une gaine de protection. La fibre devrait être gainée, mais cela reste un petit problème pour le réaliser sur une grande longueur. (LED ou cellule peuvent être légèrement bloquées par la vis).

ATTENTION : Cet adaptateur a évolué maintenant sous forme d'un petit parallélépipède de section carrée et il n'est plus percé à 1.7mm mais à 3.2 de part en part, car la fibre était rayée par le frottement. Aussi c'est l'ensemble fibre plus gaine qui traverse et doit se trouver en contact avec LED ou phototransistor/cellule. La gaine fait cette fois un diamètre de # 3 mm. (Morceau de gaine électrique de 2.5²)

Dans les précautions à prendre, pour utiliser de telles fibres plastiques, il faut souligner que celle-ci doit être gainée et que cela représente un difficulté réelle de réalisation. Toute rayure de la surface entraîne de la perte de flux lumineux, et l'on peut voir ainsi des "résurgences" de lumière, là où existe une anomalie sur la surface.
Pour ma part, j'ai utilisé de la gaine thermo-rétractable (sans rétracter) qui avait quelques dixièmes de plus que 1.5mm et on peut ainsi couvrir 10 mètres sans raponce.

De même la connectique dans le petit morceau de plexiglas ne doit pas laisser la fibre en contact direct avec le plexiglas sous peine de rayures, mais la gaine doit accompagner la fibre jusqu'en bout (contact avec la  cellule ou la LED).
Je dois corriger ce point qui reste mineur cependant.

2.    La cellule de réception

La cellule (photo-diode ou photo transistor ?) de réception fait partie de mon stock de récupération et j'en suis réduit à mettre un point d'interrogation sur le type réel, mais je suppose qu'étant associée à des LED IR, ces cellules ont leur couverture de longueur d'onde préférentielle dans ce même domaine IR ?. Leur sensibilité n'est peut-être pas optimale pour la lumière visible !
Ces cellules de 3mm ont cependant des caractéristiques communes à toutes les cellules et parmi celles-ci, une capacité parasite due à la polarisation inverse qui crée un défaut de temps de montée et implique une règle importante qui est de réduire au maximum la constante de temps en utilisant une résistance série la plus faible possible.

Le problème est que suivant le courant inverse, la capacité de la cellule change. Je ne suis pas allé jusqu'à ce stade, et j'avais simplement placé un condensateur de 47 pf pour compenser sans autre forme de vérification. (J'ai dû avoir la main un peu lourde au vu de quelques datasheet et je n'ai finalement rien mis !)

Il faut également comprendre que cette couronne de 50 mètres de fibre ne représente pas la longueur dont j'ai besoin, mais seulement un maximum auquel je pourrais être amené à utiliser. (Installation réalisée, 20 mètres me suffisent).
Le développement ainsi réalisé sera toujours opérationnel pour une longueur plus faible, mais avec peut-être des ajustements correspondants.

Le signal reçu est globalement assez "beau" mais avec tout de même des temps de montée un peu marqués. Si pour 1200 bps, ces légères déformations ne sont pas gênantes, je suppose que pour 9600 ça ne serait pas la même chose.
Ces déformations ont certainement plusieurs origines et outre les capacités parasites, la vitesse de transmission de la lumière non homogène dans cette fibre "grand public".

3.    Le "montage"

Ce montage sophistiqué d'origine que je ne publierai pas, car il ne marche pas avait été construit autour d'un AOP rail to tail OPA2348... J'avais simplement fait l'erreur d'inverser le signal !

Je publie ce nouveau schéma "révolutionnaire", digne d'un ingénieur Supélec :

Je m'étais aperçu de mon erreur à la mise au point avec le montage sur le LINKY, mais trop tard !!!

Cette erreur m'a simplement amené a essayer en direct sur cette simple résistance d'entrée du montage, et le constat a été époustouflant, car ça fonctionnait correctement avec cette seule résistance. Observation faite au scope, le signal était tout à fait "acceptable" !

On voit que l'on mesure une tension alors que les cellules délivrent un courant, mais cela revient au même puisque la tension d'alimentation est fixe et est donnée par l'USB et le câble pour 5V.
Le photo courant augmentant par exemple, diminuera la tension aux bornes de la diode puisque la chute dans la résistance va augmenter et que l'alimentation est fixe !… etc…

Ce système de la mesure directe aux bornes de la diode permettra de garder la même logique d'un signal à un logique au repos, au sens RS232, et de n'avoir besoin de rien d'autre, (Pour ma longueur de 20 mètres)

3 bis.    Le vrai montage

Cette simple résistance fonctionne tout à fait correctement avec "Terminal" et FTDI, mais j'ai eu un remords de proposer une solution aussi simple. Alors j'ai recommencé et corrigé mon erreur initiale...

Il faut dire que les 9600 bps viendront certainement un jour et que si les flancs de ce signal ne sont pas aussi raides qu'ils devraient, j'ai quelques doutes pour ces vitesses supérieures et  finalement j'ai préféré reprendre de façon normale ce sujet.

Aussi je vous propose ce schéma et sa réalisation qui fonctionne parfaitement.

Attention cependant R2 a été modifiée à 120K Voir note1 en fin d'article.

Le signal est remis en forme avec des fronts raides de 12 µs en lieu et place de fronts à 100 µs ou plus, comme c'est le cas sur la simple résistance.

Il faut avouer que si il n'y avait pas cette vision future de changement de vitesse (?), je resterais sur la solution la plus simple.

Le principe est un AOP à gain unitaire et un comparateur basé au milieu Vcc. Le montage est très peu consommateur aussi il peut très bien être alimenté par le câble FTDI ou par un futur montage autonome avec PIC.

Au départ des essais de transmission fibre seulement j'avais bouclé à l'aide de "TERMINAL"entrée et sortie à l'aide du connecteur J3 qui était alors l'émetteur de lumière en lieu et place du TIC, et de travailler sur table en intérieur... C'est ainsi

que j'avais pu vérifier sur 49 mètres de fibre.

Vous trouverez ci contre schéma et implantation CI, ainsi que la photo de ce seul circuit de réception ainsi que de l'ensemble de transmission optique avec la TIC, où l'on retrouve le montage 3bis relié au montage TIC (avec les 3 broches)

(Oubliez le fil noir qui est une masse pour les mesures)

4.    Energie, vitesse et câble FTDI

Ce niveau TTL standard de la cellule, ou du nouveau montage 3bis attaque directement le câble USB/FTDI dont l'électronique d'adaptation se trouve simplement noyée dans le connecteur USB. Ce câble fournit également du 5V (avec discrétion) ainsi que quelques signaux traditionnels RS232, mais non utilisés (RTS,CTS)

A ce stade tout programme d'exploitation sur PC permet de voir les données. Pour ma part j'utilise toujours "Terminal" de Bray++ qui répond parfaitement à mes besoins. Attention cependant ce sont 7 bits à interpréter (et non 8 car le 8 ème est la parité !)

Cependant à terme, dans une utilisation réelle, il sera nécessaire de développer un petit montage à micro contrôleur qui triera les données qui sont émises en permanence par le LINKY. Ce futur montage pourrait faire l'objet d'une autre publication si j'en ai le temps, ou à moins qu'un sympathique lecteur développe ce montage à base d'un PIC, ce qui me simplifierait le travail !
Il dispose déjà de la conversion optique TTL, (La Cellule/résistance !) mais il devra alors alimenter en Vcc ce montage... (Accu, alim secteur, alim USB ???)

A vrai dire, j'envisage de réaliser un montage ultra simple, car je relève tous mes compteurs une fois par semaine et le PC devrait me suffire pour ce seul relevé  d'index provisoirement. !!! J'envisage un montage sur un seul accu LI-ON avec convertisseur 5V pour un display 2 lignes de 16 caractères.

A ce stade le PC n'est donc pas une fin en soi, mais seulement le moyen le plus simple pour vérifier et mettre au point la chaîne complète d'acquisition des données LINKY.

Ce câble FTDI ne sera pas nécessaire à terme avec un montage spécifique, à moins de vouloir travailler en surveillance permanente des consommations, mais dans ce cas, il faudra un programme PC approprié pour extraire les seuls éléments nécessaires, car le compteur LINKY émet en permanence ses trames à 1200 (9600 ?) bps avec des tas d'informations souvent inutiles comme des numéros de compteurs, des puissances en tous genres, ces éléments étant connus une fois pour toutes et n'intéressent que les services d'ENEDIS pour le relevé des compteurs.

On arrive maintenant à la notion de vitesse de transmission qui est imposée par le LINKY (et qui n'a pas encore été abordée) mais qui peut poser quelques problèmes par la déformation du signal.
Le compteur LINKY transmet sur sa sortie TIC des trames RS232 impérativement à 9600 bps sur une porteuse à 50 KHz. C'est la "spec" qui le dit, mais la réalité est 1200 bps

(Le montage propre à l'interface TIC n'est pas décrit dans cet article, mais fera partie d'un autre spécifique, et n'est pas uniquement de mon fait mais principalement d'un autre auteur. Je l'ai adapté, et à ce jour, et il est testé à 1200 bps).

Il parait probable qu'ENEDIS passe à terme à 9600 bps avec l'interface TIC en mode standard ?

Cette vitesse est donc imposée par la sortie TIC du compteur LINKY. Cette vitesse est fixe et on doit s'y adapter ! C'est la raison pour laquelle, distance, puissance, isolation sont des impératifs incontournables.

La connectique fibre est simple mais elle doit être respectée et les performances ne sont correctes que si les extrémités de fibre sont taillées bien perpendiculairement au cutter. De plus la fibre devra être au contact direct de son élément émetteur ou de son récepteur LED ou phototransistor) sous peine de perdre beaucoup de signal.
C'est aussi une solution en cas de trop fort éclairement pour ramener à des valeurs plus faibles, mais ce n'est en général pas le cas, et il serait préférable alors de régler la puissance d'émission sur le montage TIC

5.    Conclusions

Aucune prétention sur ce montage  de transmission optique (difficile de faire plus simple !), mais il fonctionne correctement à la vitesse de 1200 bps sur PC avec convertisseur USB/RS232 et le programme terminal de Bray++, et pour une longueur de fibre optique lowcost de 1.5mm sur 20 mètres.
Il est probable que si l'on devait passer à 9600 bps la remise en forme du signal soit nécessaire, et que dans ce cas le véritable montage 3 bis avec AOP soit nécessaire.

L'un de ces deux montages sera donc situé dans l'habitation et il est raccordé par la fibre optique au montage TIC du compteur LINKY.
Ainsi les spécifications d'isolation imposées par ENEDIS, ainsi que la puissance nécessaire à l'alimentation de la LED émettrice seront respectées.
Le montage pourra être adapté pour les longueurs spécifiques de fibre, car vérification faite, régler l'émission LED du compteur LINKY pour 50m ou pour 20m est différente car les pertes lumineuses sont en conséquence des longueurs, mais ce n'est pas ici que l'on règle cette différence mais sur l'émission de lumière du montage TIC.

Il restera à publier le montage à connecter sur le compteur LINKY sur les bornes TIC dont le rôle sera seulement de moduler une LED connectée à la fibre optique.

On peut également remarquer que ce principe est au final très généraliste puisqu'il reçoit son signal d'une fibre optique.

Autre point essayé, la connectique fibre audio TOSLINK ne convient pas car la fibre fait seulement 1 mm. Cependant on peut trouver également de la fibre de 1 mm, mais cette connectique standardisée est peut-être trop volumineuse pour être utilisée sur la TIC, et les longueurs TOSLINK commercialisées ne peuvent pas correspondre dans la majorité des cas, car trop petites.

Enfin, je considère que la ronflante appellation de compteur communicant pour le LINKY, ne doit pas se cantonner à la seule lecture à distance par ENEDIS, mais bien à un avantage réel pour l'usager de ce service d'énergie, (TIC=Télé Information Client) aussi l'utilisation de la TIC me semble utile pour tout Client/usager pour qu'il maîtrise seul (Sans l'aide d'autres intervenants) ses consommations.
Pour ma part je pense maîtriser ma consommation électrique principale, mais j'ai besoin d'avoir les informations d'index sans avoir à me coucher par terre, et c'est dans ce seul but que je réalise cette application de la TIC pour la surveillance des factures qui par le passé étaient toujours volontairement gonflées par EDF.

Il s'avère cependant qu'une petite analyse sur une journée serait intéressante pour voir les petites "fuites" dues à certains appareils (volets électriques, appareils branchés etc...) et que l'on ne surveille pas, car trop faibles, mais ces petites consommations font aussi les grandes  économies... Pour cela des relevés d'index à temps fixe est utile pour mettre en tableur et pouvoir examiner ainsi le minimum de consommation sur un cycle de 24 heures.

Il aurait été normal que ce dispositif destiné au client soit effectif et livré réellement avec au minimum un report d'index. On se contentera de la seule possibilité de le faire soi-même, mais les plus démunis ne pourront pas y accéder et c'est dommage !

NOTA : Il est possible que ceux qui ont le tarif de nuit aient quelques difficultés car les fils de ce contact passent juste en dessous du montage et je n'ai pas le recul suffisant sur ce sujet.
ENEDIS signale la présence potentielle de 230V sur ce contact de tarif de nuit. ATTENTION donc lors de l'implantation dans le compteur du montage sur la TIC qui sera bientôt publié...!

bricolsec

Note1 : R2 est passée à 120K pour la raison suivante : Au gré des déplacements de la fibre ou du vieillisement, le signal  reçu peut diminuer légèrement, aussi ce sera toujours un tassement du signal vers le Vcc qui se produit. Il y a donc lieu, même si le signal est parfait de prendre cette précaution de dissymétrie du niveau.
(Un coude un peu trop prononcé de la fibre entraîne un affaiblissement sensible, de même qu'une mauvaise coupure d'extrémité de fibre)