Conducir una pantalla LCD 1602 en un entorno ruidoso

Question

Mi PCB controla un LCD 1602 en modo de 4 bits a través de un cable plano de AWG28 (0,08 mm2) de 0,5-1 m de largo. A veces tengo problemas de sincronización de nibble. Se puede ver en el LCD como caracteres extraños o basura.

Esto no ocurre en mi entorno de prueba (banco de trabajo), pero en el campo, donde hay cargas inductivas de conmutación (relés, solenoides, motores, etc.), se puede ver.

Hasta ahora solo he podido hacer un paso temporal, donde reinicio el LCD cada minuto y los nibbles vuelven a estar sincronizados. En mi banco de trabajo puedo recrear el problema al encender y apagar rápidamente un solenoide de 12V cerca del cable plano.

A continuación se muestra un esquema simplificado de mi circuito, centrándose solo en la parte del LCD. Por favor, échale un vistazo y dime si encuentras algo obvio que pueda mejorar para tener una mejor inmunidad al ruido en la línea del LCD.

Si es posible, quiero dejar que la placa hija sea compatible con versiones anteriores y rediseñar/cablearla como último recurso.

El PDF original se puede descargar desde:
https://drive.google.com/file/d/13Xz6-iv1__BDDoMWHfCxqTtLst7OPdLC/view?usp=sharing

Editar: (26.11.2023) Pude conseguir 10x0,14mm2 de cable apantallado, unos cuantos ferritas (redondos y planos también) y realicé algunas pruebas. La fuente de ruido era un solenoide de 12V - tipo desconocido, alrededor de 3 vatios. Los resultados:

1. Sin ningún apantallamiento o ferrita, el osciloscopio muestra lo siguiente al medir la línea de Vcc del LCD:
2. Usando 2 ferritas planas (el doble de anchas que mi cable plano, así que pasé mi cable dos veces por ellas):
3. Usando un cable apantallado redondo de 10x0,14mm2 con 2 ferritas, el apantallamiento atado a GND en el lado de la placa principal:

Obtuve los mismos resultados al sondear el pin RS o EN. La configuración de prueba fue: fuente de alimentación de banco Voltcraft 4005, osciloscopio Owon XDS3062A (sonda 10x, acoplamiento AC, sonda colocada directamente en los pines de la pantalla), el solenoide se alimentaba desde la misma fuente de alimentación que la placa principal. Repetí las pruebas alimentando el solenoide desde una batería de plomo-ácido de 12V. Los voltajes pico a pico eran aproximadamente un 30% más bajos, pero aún suficientes para confundir la pantalla a veces.

Luego intenté agregar un estrangulador de modo común antes de los terminales de entrada. Nuevamente mejoró un poco la inmunidad al ruido, pero aún no lo suficiente como para decir que es una solución sólida. El estrangulador no fue medido o calculado previamente, utilicé uno que tenía por ahí (extraído de una antigua fuente de alimentación ATX).

Editar (06.12.23): Puede que haya encontrado una forma de superar este problema. No lo llamaría una solución, pero definitivamente una mejora. Agregué capacitores de 1nF a las líneas de datos en el lado del LCD del cable (el otro extremo de los capacitores unido a GND), y mejoró más que agregar ferritas y cable apantallado juntos. Antes de este "truco", podía desordenar la pantalla al encender y apagar un solenoide cerca del cable del LCD unas 6 veces de cada 10 intentos, después de esta modificación quizás 1 de cada 50. Me gustaría agregar que esto funciona para mi situación exacta, y no estoy seguro de que sea aplicable a otros diseños. Me permitieron poner estos capacitores en mis líneas de señal porque la frecuencia de mi señal es bastante baja (<100kHz) y no degrada significativamente el tiempo de subida. También, después de leer muchos informes de diseño, sospecho que tengo ruido de modo común en estas líneas cuando el interruptor de carga inductiva se apaga. Para esto, intentaré mejorar mi PCB, agregando un filtro de modo común después del convertidor buck de 12V-5V.

Answer 1

El circuito equivalente se explica en detalle aquí: Blindaje de cable (mejores prácticas)

En resumen, la conexión a tierra dispersa en el cable, o la falta de blindaje, permite que el ruido de modo común incidente en el sistema se divida a lo largo de las líneas de señal y alimentación, suministrando niveles lógicos erróneos y alterando el estado de la pantalla.

Si pudieras permitirte enviar periódicamente un reinicio, iniciar y refrescar la DDRAM, podrías corregir errores intermitentes; pero no los sostenidos debido a los campos RF ambientales (típicamente radiotransmisores). También creo que el tiempo es generalmente lo suficientemente lento en HD44780 y clones como para que no puedas hacer esto sin impacto visual (es decir, la pantalla parpadeará y se volverá no funcional por una fracción de segundo).

El cable plano es mejor utilizado con cada otra línea conectada a tierra (cualquier supernodo de CA cuenta, es decir, VDD es una tierra de RF debido a los condensadores de bypass que la unen a GND en ambos extremos). Esto aún deja las líneas de señal abiertas a campos ambientales, pero al menos proporciona una "primera parada" alrededor de ellos, reduciendo la interferencia en, digamos, 10 o 20dB. Eso no será suficiente para lidiar con ruido impulsivo (que puede estar en el rango del ~kV), pero es un buen comienzo. Y sí, el inconveniente es necesitar casi el doble de pines de los que pensabas que necesitabas.

Un filtro de ferrita es especialmente efectivo para frecuencias alrededor de donde el cable actúa como una antena o resonador de 1/4 de onda (o múltiplos de esto), pero esto solo es relevante en frecuencias mucho más altas que la tasa de reloj, por lo que la interferencia por RFI puede filtrarse muy fácilmente. (Deberías tener un filtro de ferrita y un pequeño condensador, y probablemente diodo(s) ESD, en ambos extremos del cable para proporcionar dicho filtrado de RFI.)

En frecuencias bajas, el hecho de que la pantalla esté flotando significa que 1. Un filtro de ferrita tendría que ser extremadamente grande para hacer algo, pero también 2. La interferencia es mucho menos significativa o severa. Nos preocupan menos las frecuencias bajas; cuánto menos, es proporcional a qué tan lejos de esta frecuencia característica / resonante estamos considerando.

De lo contrario, se puede usar un cable multiconductor con blindaje o apantallado, o un blindaje enrollado alrededor del cable plano. El blindaje debe estar conectado a tierra de manera sólida (es decir, haciendo una conexión amplia, en varios puntos que rodeen todas las líneas de señal), en ambos extremos, y esto puede proporcionar una inmunidad considerable (60dB+), suficiente para resistir incluso picos inductivos de alto voltaje.

Además, ten en cuenta que esto depende del uso de un diseño de PCB de plano de tierra en ambos extremos, ya sea un diseño de 2 capas bien conectado o un diseño de 4 capas con planos internos o más. Un diseño suelto, solo trazas en espacio libre, es como un queso suizo para los campos electromagnéticos. De otra forma: todo lo anterior sigue aplicando fuera de los cables definidos arbitrariamente, el blindaje debe extenderse alrededor de todo el camino de la señal.

Answer 2

Para casos en los que necesites cables largos para transferir datos digitales en entornos ruidosos, es mejor trabajar con pares diferenciales para eliminar la EMI, o apantallar tu cable (usualmente ambos se emplean al mismo tiempo).

Usar el enfoque de pares diferenciales requerirá que conviertas tus datos digitales paralelos a serie, luego los conviertas a una señal diferencial. Luego en el extremo receptor haces lo contrario.

Usar el enfoque de apantallamiento requerirá que uses cinta de lámina de cobre para cubrir la totalidad de tu cable plano y luego soldar cables de unión desde la cinta de apantallamiento de cobre a la conexión de tierra de ambos circuitos (en cada extremo).

Antes de hacer cualquiera de estas cosas, intenta usar perlas de ferrita para eliminar el ruido. Asegúrate de utilizar núcleos de ferrita planos hechos para cables, de lo contrario no tendrás una supresión efectiva de la EMI. También ayuda saber en qué frecuencias se está produciendo la interferencia para suprimirla mejor con el material de ferrita adecuado.

Este es un pdf que puede ayudar con el apantallamiento de cables y la supresión de EMI en cables.