DE19622132A1

DE19622132A1 - Steuersystem für Modellbahnen

Info

Publication number: DE19622132A1
Application number: DE1996122132
Authority: DE
Inventors: Josef Duell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-01
Filing date: 1996-06-01
Publication date: 1997-12-04

Description

Es gibt bereits eine Reihe von Ansteuersystemen für Modelleisenbahnen, mit denen entweder Digital- oder Analoglokomotiven betrieben werden können. Digitallokomotiven werden üblicherweise mit einer konstanten Gleichspannung betrieben, der ein Digitalcode eingeprägt ist, der die Lokadressen, die Geschwindig und noch weitere Informationen enthält. Analogloks werden mit einer veränderlichen Spannung oder mit einer gepulsten, konstanten Spannung (PWM, PulsWeiten Moduliert) angetrie ben.

Merkmal aller Systeme ist, daß sie in erster Linie für den Handbetrieb ausgelegt sind. Wird ein Be trieb an einem Computer (PC) gewünscht, so erfolgt dies über die serielle Schnittstelle des PCs. Soll nun ein Echtzeitbetrieb einer mittleren oder größeren Anlage durchgeführt werden, so ist das nicht möglich, da die serielle Schnittstelle für die erforderlichen Datenmengen zu langsam ist. Der Echtzeitbetrieb ist so zu verstehen, daß nicht nur ein Zug ab und zu fährt, sondern daß zu jedem Zeitpunkt jeder Kontakt oder Schalter mit jeder Lok verknüpft werden kann und daß bei jeder Kontakt- oder Schalterbetätigung der Anlagenzustand neu berechnet wird, um z. B. Kollisionen zu vermeiden. Warum ein Echtzeitbetrieb nicht möglich ist, soll folgende Überschlagsrechnung darlegen:
Eine Lok kann bis zu 100 cm/Sekunde zurücklegen. Bei einer Reaktionszeit von 0.2 sec legt die Lok 20 cm zurück. Bei einer mittleren Anlage mit 10 Loks, 30 Blockabschnitten und 20 Weichen errechnet sich folgender Datenfluß bei einer gewählten Reaktionszeit von 0.2 sec:
10 Loks: Geschwindigkeits-Anpassung in 0.2 sec, (Reaktionsweg bis zu 20 cm)
30 Blöcke: 30 Kontakte,
30 Signale: 2×30 Schalter,
20 Weichen: 2×20 Schalter,
10/0.2 = 2×50 [Bytes/sec] + (30 + 60 + 40) [Bits/sec]/8/0.2 = ca. 180 Bytes/Sekunde.

Der Datenfluß zu den Loks kann zwar reduziert werden, wenn man auf eine stetige Geschwindigkeits anpassung verzichtet, auf das schnelle Einlesen der Kontakte kann aber nicht verzichtet werden, da der Rechner nicht voraussehen kann, welcher Kontakt aktiv wird.

Bei der üblichen Baudrate 2400 können maximal 220 Bytes/sec übertragen werden. Das alles sind rein theoretische Werte für die Datenübertragung. Dazu müssen noch die großen Antwortzeiten der üblichen Steuergeräte und die Datenverwaltung des PCs gerechnet werden. Das Einlesen der Kon takte geht beispielsweise so vor sich: Der PC sendet über die serielle Schnittstelle ein Steuerzeichen. Das Steuergerät liest, wenn es gerade Zeit hat, die Kontakte ein und überträgt sie dann an den PC. Es gibt bereits Lösungsansätze dafür, die Datenübertragungsrate zu erhöhen. So setzt ein Anbieter für das Einlesen der Kontakte, das am zeitkritischsten ist, PC-Einschubkarten ein. Das hat zur Folge, daß er alle Kontakte, das sind schon bei der oben vorgestellten mittleren Anlage ca. 130 Leitungen, zum PC führen muß, d. h., es muß ein großer Kabelbaum von PC zur Anlage geführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Datenübertragungsgeschwindigkeit wesentlich zu erhöhen, um ei nen Echtzeitbetrieb zu ermöglichen, ohne hierzu durch den Einbau von Steckkarten in den PC einzu greifen. Der Echtzeitbetrieb ist so zu verstehen, daß mindestens 10 Loks gleichzeitig fahren können und der PC innerhalb einer gewissen Reaktionszeit alle Kontakte und Schalter überprüft, logische Schlüsse zieht und als Folge davon Signale und Weichen stellt, und die Lokgeschwindigkeiten je nach Signalstellungen anpaßt.

Die Lösung der obigen Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 zu sehen. Nähere Einzelheiten über den verwendeten Bus und die eingesetzten Boostermodule (Leistungsverstärker) sind den am selben Tag eingereichten Patentanmeldungen "Serielles Bussy stem" und "Leistungsverstärker für Modellbahnen" des Anmelders zu entnehmen.

Durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen, dem Ersatz der üblichen Steuergeräte durch einen PC und die Anwendung der beiden schnellen Bussysteme wird die erforderliche hohe Daten übertragungs- und Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht, ohne daß man Einschubkarten in den PC einbauen muß. Auch ein uralter XT ist von der Verarbeitungsgeschwindigkeit jedem herkömmlichen Steuergerät überlegen.

Ein weiterer großer Vorteil des Systems liegt darin, daß es herstellerunabhängig ist, da die Ansteuer signale für die Digitalloks per Software erzeugt werden und somit jedes Digitalprotokoll benutzt wer den kann.

Das System kann auch teilweise betrieben werden. So können beispielsweise nur die EA-Module (4, 5) mit vorhandenen Digitalanlagen kombiniert werden, die über die serielle PC-Schnittstelle betrie ben werden. So können Digitalanlagen anderer Hersteller, bei denen keine Kontakteingänge vorge sehen sind, ergänzt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß nur die Potentiometer-Module benutzt werden und mit den Werten der Module Booster anderer Hersteller gesteuert worden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, in dem der PC über den EA-Bus gemäß Fig. 2 mit den Ein- und Ausgabe modulen und weiterhin über den Modul-Bus mit den Potentiometer- und Boostermodulen verbunden ist.

Fig. 2 das Protokoll des EA-Busses, der die Verbindung vom PC zu den Ein- und Ausgabemodulen herstellt.

Fig. 3 das Protokoll des Modul-Busses, der die Verbindung vom PC zu den Potentiometer- und Boo stermodulen herstellt.

Beschreibung Fig. 1

An der Druckerschnittstelle (11) des PCs (1) ist ein Adapter (2) angeschlossen, der die Signale für den EA- (9) und Modulbus (10) verstärkt. Die Stromversorgung des Adapters übernimmt der Trafo (3). Am EA-Bus sind hintereinander Ein- und Ausgangsmodule angeschlossen. Der EA-Bus ist mit der Fig. 2 näher beschrieben. Am Modulbus (10) hängen ebenfalls hintereinander die Potentiometer- und Boostermodule. Das Protokoll des Modulbusses ist in der Fig. 3 näher beschrieben.

Beschreibung Fig. 2

Der EA-Bus besteht aus den folgenden Leitungen:
Res_In: Rücksetzen der Eingänge,
Set_Out: Setzen der Ausgänge,
Set_In: Übernahme der Eingänge in die Schieberegister der Ein- und Ausgangsmodule,
Clk: Schiebetakt,
En_out: Freigabeleitung für die Ausgänge,
WR_Out: 0/1 : 2 Ausgangsinformationen,
Rd_In: 0/1 : 2 Eingangsinformationen.

Funktion

In den Ein- und Ausgangsmodulen sind Speicher- und Schieberegister vorhanden. Die Eingangsin formationen werden in Flip-Flops gespeichert, damit kurze Impulse nicht verloren gehen. Mit einem Clk-Impuls werden gleichzeitig 2 Ein- und 2 Ausgangsinformationen (Bits) weitem geschoben.

Zeitablauf

Schritt 1: Am Anfang der Übertragung werden die ersten beiden Ausgangsbits auf die beiden WR_Out 0/1 Leitungen gelegt.
Schritt 2-4: Mit Set_In und Clk werden die Eingangsinformationen von den Flip-Flops in die Schieberegister übertragen und die Ausgangsinformationen einen Schritt weiter ge schoben.
Schritt 6: Weitere 2 Ausgangsbits werden auf die Leitungen gelegt.
Schritt 7: Die Eingangsinformationen der beiden RD_In 0/1 Leitungen werden vom PC über nommen (Pfeil).
beliebig viele Schritte (Bits). . .
Schritt 16: (Übertragungsende), Set_Out überträgt die Ausgangsinformationen von den Schiebe registern in die Ausgangsregister En_Out gibt die Ausgangsregister frei.
Schritt 17: Die Eingangs-Flip-Flops werden gelöscht.

Beschreibung Fig. 3

Der Modul-Bus ist wie der EA-Bus ein Schreib-Lese-Bus. Er ist speziell für dieses System ausgelegt. Für das System könnte aber jedes andere Busprotokoll wie z. B. der I2C-Bus benutzt werden. Der Modulbus besteht aus 9 Leitungen, drei davon werden für die Datenübertragung gebraucht.

Die Leitungen des Modulbusses

Der Start oder Stop der Datenübertragung wird durch die statische Leitung SSS bestimmt. Für die Schreib- und Leseinformationen ist jeweils eine eigene Leitung vorgesehen, wobei je nach Informati onsrichtung auf einer Leitung gesendet und auf der anderen Leitung dieselben Impulse wieder emp fangen werden (Echobetrieb). Damit ist eine vollständige Fehlerkontrolle der Datenübertragung mög lich.

Die Bussignale werden direkt vom PC (1) erzeugt, es kann aber auch ein eigener Microcontroller im Schnittstellenadapter (2) vorgesehen werden, der den Busverkehr abwickelt.

Das Busprotokoll

Schritt 1: Start der Übertragung
Schritt 2: negative Flanke, Start des ersten Bits,
Schritt 3-4: lange Zeit, Wert = 1
Schritt 4: Start des nächsten Bits,
Schritt 5-6: kurze Zeit, Wert = 0,
Schritt 7: Ende der Übertragung.

Claims

Steuersystem für Modellbahnen, bestehend aus Modulen für die digitalen Ein- und Ausgänge (4, 5), aus Potentiometer- (6), Boostermodulen (7) und einem PC (1), dadurch gekennzeichnet, daß die üblichen Steuergeräte durch einen PC (1) ersetzt werden, wobei die Ein- und Ausgangsmodu le (4, 5) über einen Bus (9) mit Bit-paralleler Datenübertragung, die Potentiometer- und Boostermodu le über einen seriellen Bus (10) über einen Schnittstellenadapter (2) mit der Druckerschnittstelle (11) eines PCs (1) verbunden sind.