Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Seit vielen Jahren werden für die Modelleisenbahn digitale Steuerungssysteme von unterschiedlichen Herstellern angeboten, doch bereits vor rund 35 Jahren beschäftigte sich unsere Gruppe von Modelleisenbahnern intensiv mit vergleichbaren technischen Konzepten. Für die Spur N stellte sich damals jedoch ein zentrales Problem, da sich keine ausreichend kleinen Digitaldecoder realisieren ließen, die in die beengten Lokgehäuse gepasst hätten. In dieser frühen Phase wurde mit Hörgeräte-Transistoren experimentiert, um möglichst kompakte Schaltungen aufzubauen, dennoch waren die Baugruppen lange Zeit so groß, dass viele Lokomotiven nur ohne Gehäuse betrieben werden konnten. Kurz darauf brachte die Firma Märklin erste Digitaldecoder für die Spur H0 auf den Markt, die noch über sogenannte Mäuseklaviere programmiert wurden, was den technischen Stand jener Zeit widerspiegelte. Für unsere Anlage entschieden wir uns jedoch bewusst für einen anderen Ansatz, da sich die Frage stellte, warum der gesamte Lokomotivbestand kostenintensiv umgerüstet werden sollte, zumal Digitaldecoder damals noch sehr teuer waren. Stattdessen entwickelten wir ein eigenes Steuerungssystem, das konsequent auf eine zentrale Intelligenz setzte. Grundlage bildeten einfache, robuste Schaltungen auf einseitigen Europa-Leiterplatten im Format 10 mal 15 Zentimeter, wobei jede Platine acht identische Schaltungseinheiten für Blockabschnitte oder Signalabschnitte enthielt. Für Weichen sowie weitere schaltbare Baugruppen wurde ergänzend eine speziell angepasste Schaltung konzipiert. Die Ansteuerung aller Module erfolgte über einen Computer, wobei der Fahrbetrieb mittels Impulsbreitensteuerung realisiert wurde. Auf diese Weise konnten 32 Blockabschnitte, 280 Signale, 150 Weichen sowie rund 50 zusätzliche Funktionen wie Bagger, Karussells und andere bewegte Elemente zentral programmiert und gesteuert werden. Über einen Zeitraum von mehr als 45 Jahren wurde diese Steuerung kontinuierlich weiterentwickelt und an neue technische Rahmenbedingungen angepasst, angefangen bei Z80-Systemen unter CP/M über verschiedene Windows-Versionen von Windows 98, Windows XP, Windows 7 und Windows 8.1 bis hin zu Windows 10 sowie durch den Wechsel der Programmiersprachen von Fortran 88 über Pascal und Delphi bis hin zu C. Mit den neueren Windows-Versionen entfiel jedoch die Möglichkeit einer direkten Kommunikation zwischen Computer und externen Baugruppen über LPT- und COM-Schnittstellen, was eine grundlegende Neuausrichtung erforderlich machte. Als zukunftsfähige Lösung wurde der Einsatz eines AVR-Mikrocontrollers gewählt, in dessen Speicher ein Teil des bisherigen Delphi-Programms in C++ neu umgesetzt und integriert wurde. Der AVR-Mikrocontroller übernimmt nun die präzise Erzeugung der Takte für die Steuerimpulse, während die Verbindung zwischen Computer und Mikrocontroller über eine standardisierte USB-Schnittstelle erfolgt. Über diese USB-Verbindung werden Daten und Adressen zuverlässig zwischen Rechner und AVR-Mikrocomputer ausgetauscht. Die Impulsfrequenz ist flexibel im Bereich von 50 bis 300 Hertz einstellbar, während die Anzahl der Fahrstufen zwischen 50 und 200 variiert werden kann. Parallel dazu wertet das Programm kontinuierlich die Rückmeldungen der Gleisbesetzt- und Kurzschlussüberwachung aus, verwaltet alle aktuellen Standorte von Zügen und Wagen und speichert diese Informationen dauerhaft, wodurch ein stabiler, transparenter und betriebssicherer Anlagenbetrieb gewährleistet wird. (c)WV
Modelleisenbahn-Hardware - Signal- und Stromverteilungsplan
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Modelleisenbahn-Hardware
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn-Hardware - MC mit USB-Verbindung zum PC
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Ethernet ATmega32/644 Experimentierboard
Dass ein Schaltmodul fürs Web nicht teuer sein muss, zeigt dieses kleine Projekt. Ein kompletter mini Webserver für etwa 30€. Dabei kommt der Mikrochip ENC28J60 Ethernetcontroller in Verbindung mit einem ATmega32 oder ATmega644 zum Einsatz. Mir ist bewusst das es schon einige solcher Schaltungen auf der Basis dieses Netzwerkchips und dieser Controller im Internet gibt. Allerdings kommt meine Schaltung ohne SMD Bauteile aus und die Platine ist zudem lediglich einseitig. Dies garantiert, dass dieser mini Webserver von einem Bastler ohne weiteres nachgebaut werden kann. Das Bild zeigt euch dabei den Webserver mit optionalem Display. Auch wenn die Software in der Programmiersprache C geschrieben wurde, kann eigentlich jeder seine eigene Webseite erstellen und in dem Webserver einbinden. Ein blick in die Datei webpage.h zeigt euch wie eine Webseite eingebunden wird, und somit Schaltaktionen durchgeführt werden. Die restliche und allgemeine Konfiguration erfolgt in der config.h. Auch hier wird von keinem irgendwelche C Kenntnisse abverlangt.
Im Radig-Onlineshop sind die Platinen für dieses Projekt zu haben! (c) Text Ulrich Radig
Für Fragen und Ratschläge zur AVR steht Ulrich Radig jederzeit gerne zur Verfügung.
Programmentwicklung für Win8 und AVR-Microcontroller
Die Erstellung des neuen C++ Programms übernahm der Kollege Andreas Lutters. Nach Wünschen und Erfordernissen wurden verschiedene Routinen in das Programm integriert. Bei der Weiterentwicklung des Delphi-Programms stand mit vielen Ratschlägen und Verbesserungen Andreas Fischer bereit.
Verbindung PC, AVR-Microcontroller und Eisenbahn-Hardware
Als Verbindung zur Hardware der Modelleisenbahn stehen 3 mal 8-IO-Datenleitungen zur Verfügung. Somit wurden die zwei LPT-Schnittstellen am PC und die Druckerkabel durch diese Schaltung ersetzt.
Modelleisenbahn-Programm für Microchip AVR2560
hier die C-Programmteile als PDF
und als C in ZIP
Modelleisenbahn-Software - MC Daten-, Adress- und Steuersignale
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn-Hardware - MC zur Modellbahnhardware
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn-Hardware - 4 zu 16 Encoder
Die 8-Bit-breite Adressenleitung vom Druckerport wird mit einem 4-zu-16-Encoder decodiert. Mit den Ausgangssignalen werden die Block- und Signalplatinen selektiert. Im Eisenbahn-Hardwareschrank werden zur Zeit 10 Encoder genutzt.
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Diese Platine dient zur Auswertung der Adresssignale des AVR-Mircocontrollers und zur Weiterleitung von Befehlen an die Blockabschnitte, Signale, Weichen und sonstigen Einrichtungen.
Modelleisenbahn-Hardware - 8 * Blockabschnittsteuerung
Auf diesen Platinen sind 8 Blockabschnitte mit identischer Schaltung bestückt. Diese Einzelschaltungen erzeugen die Impulsbreitenpulse. Zusätzlich wurde mit wenigen Bauteilen eine Besetzt- und Kurzschlusserfassung aufgebaut.
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Die vom AVR-Microcontroller kommenden Geschwindigkeitsbefehle werden in die Impulslängen umgesetzt, die den einzelnen Geschwindigkeitsstufen entsprechen. Zusätzlich wird eine Gleisbesetzt- und Kurzschlussmeldung ermittelt und an den AVR zurückgeleitet.
Modelleisenbahn-Hardware - 8 * Signalabschnittsteuerung
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Auf diesen Platinen sind 8 Signalabschnitte mit identischer Schaltung bestückt. Die Signalplatine dient zum Ein- und Ausschalten von Signalen sowie zur Besetzt- und Kurzschlussauswertung.
Modelleisenbahn-Hardware - 8 * Weichensteuerung
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn-Weichensteuerung mit PC und MicroController
Auf dem MC-AVR644-Board wurde die Steuerung der Weichen modifziert. Auf der MC-Platine befinden sich für die IO-Ausgänge IC-74LS245 zur Verbindung mit dem 19"Rack-Bus. Ansonsten werden die 4 zu 16 Encoder zur Erzeugung der Clock/ShipSelect Signale weiter verwendet.
Daten-Eingang: Über die Steckerpins 2 bis 9 werden die Daten vom MC zur Weichenstellung auf die Platine eingespeist.
Steuerleitungen-Eingang: Die beiden CS-Signale vom Encoder liegen an 10 und 11.
Weichen-Ansteuerung: Die Pins 14 bis 21 sind für die Link"en Spulenantriebe, 22 bis 29 für die rechten Spulenantrieb.
Stromversorgung: Pin 1 und 12 sind Masse (GND). Pin 12 hat 5V= für die TTL-ICs und die Weichenantriebsspulen werden mit 15V= geschaltet.
Schaltbausteine (Schalter): Als Schalt-IC wird der ULN2803A mit 8 'Schaltern' genutzt.
Speicher-Zustand: Der aktuelle Zustand der Weichenstellung wird in den 8-Bit D-FlipFlops zwischengespeichert.
Weichen-Rückmeldung: Die aktuelle Stellung der Weichen wird nicht abgefragt. Eine Abfrage würde nur die Stellung der Weichenspule zurückmelden. Ob die Weichenzungen die richtige Stellung haben oder durch einen Schotterstein nicht anliegen, könnte nur mit einer aufwendigeren Mechanik erfasst werden. Deshalb wurde auf die Rückmeldung verzichtet. Sollte eine Weiche von Hand umgestellt werden, können jederzeit mit einem Programmbefehl alle Weichen in die richtige Stellung
gelegt werden.
Bisher sind zwei Prototypen-Platinen im Einsatz und haben sich bewährt. Insgesammt werden 200 Weichen zu schalten sein.
Der Preis für 8 Weichen mit 16 Weichenspulen beträgt ca. 12,-€
Modelleisenbahn-Hardware - 6 * Richtungsumschalter
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Software - ein Delphi-/Lazarus- und ein C++ Programm
Die Programm-Anfänge wurden auf einem CP/M-Computer mit Z80-Prozessor entwickelt. Zuerst waren es Assembler-Programme. Als Turbo-Pascal zur Programmierung zur Verfügung stand, wurde es wesentlich einfacher. Es gab jedoch noch keine übersichtliche Benutzeroberfläche. Nachdem die ersten Windows-Computer auf dem Markt waren, haben wir die Software umgestellt. Heute läuft die Eisenbahn mit einem Delphi-Programm und Windows XP oder Windows 7. Alle Vorgänge und Betriebsabläufe lassen sich auf mehreren Bildschirmen verfolgen. Immer wieder werden neue Wünsche in das Eisenbahnprogramm eingebaut und das Programm weiterentwickelt. Hier die Darstellung der Modelleisenbahn mit den einzelnen Bildschirmfenstern aus den Delphi-Programm. Noch sind nicht alle Funktionen dargestellt.
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
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Gleisplan von Haupt- und Nebenstrecke
Modelleisenbahn - Digitalsteuerung ohne Decoder in den Lokomotiven
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Eisenbahnfreunde Siegerland
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Redaktion: Ingrid Walder und Achim Walder
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Text: Ingrid Walder und freie Mitarbeiter*innen und Mitarbeiter*innen des Walder-Verlags.
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