Modelleisenbahnsteuerung mit dem KC85/4
von Hendrik Wagenknecht
Auf dem Treffen im April 1998 war sie zu sehen, eine Modelleisenbahnsteuerung mit dem KC85/4. Mir war es dabei wichtig, eine normale herkömmliche Anlage mit Gleisbildstellwerk oder mit Tastenpult nur durch Umstecken der Stecker an einen KC anzuschließen. Somit ist eine mehrfache Ansteuerung gewährleistet. Bei einer Ausstellung kann bei einem Rechnerabsturz sofort mit dem Tastenpult die Anlage weitergefahren werden. Bei der Realisierung wurde auch die Anfahrt und das Bremsverhalten eines Zuges in Abhängigkeit von der Streckenbeschaffenheit und des Triebfahrzeuges gesteuert.
Die Steuerung ist mit Tastatur oder Maus möglich. Ich habe bei der Programmentwicklung großen Wert auf eine grafische Oberfläche gelegt. Als Gleispläne dienen Bilder, die mit Programmen wie EDIPIC oder UNIPIC gezeichnet werden können. Auf einen Bildeditor habe ich beim Programm verzichtet. Ich wollte das Fahrrad nicht zweimal erfinden.
Aufbau
Der Aufbau der Hardware ist relativ einfach. Ich war bestrebt, die D/A-Wandlerkarten mit dem bei mir vorrätigen C565 aufzubauen. Des weiteren werden noch Relaiskarten benötigt, um Abschaltstrecken, Weichen, Signale, Straßenbeleuchtung und Entkupplungsgleise vom Rechner aus zu betätigen. Alle Karten sind für 19"-Rahmen entwickelt und können sowohl in alten DDR-Rahmen (160 x 95 mm), als auch in den heute handelsüblichen Rahmen eingebaut werden. Zur Datenübertragung vom Computer zu den Karten wird das M001 (Digital-In/Out-Modul) verwendet, wobei vom Port A die Daten und vom Port B die Adressen ausgegeben werden.
Die bisherige Steuerung besteht aus:
- MB 001 ... zwei 8-Bit D/A-Wandler mit Verstärker
- MB 002 ... Relaiskarte mit 2 mal 8 Relais
- MB 003 ... Adreßdecoder und Datenbusverstärker
- MB 004 ... 48 Transistorausgänge für Weichen
- MB 005 ... 48 Transistorausgänge für Signale ect.
Die beiden letzten Karten haben sich wegen der fehlenden Entkopplung Eisenbahn - KC als zu störanfällig erwiesen. Gegenwärtig suche ich hier noch nach preiswerten Alternativen. Eine Rückmeldung von der Modellbahn zum KC ist in Entwicklung. Für Lösungsvorschläge wäre ich dankbar.
Leiterplatten
Alle Leiterplatten können bei mir bestellt werden. Ich liefere die Platinen ohne Durchkontaktierung und ohne Bohrungen. Der Preis pro Leiterplatte: 10,00 DM zuzüglich Porto. MB 004 und MB 005 können nicht mehr hergestellt werden, da die Kassette mit diesen Bildern nicht mehr lesbar ist.
Programm
Dieses ist leider noch in Arbeit. Ich habe beim letzten Spielen wieder ein paar Sachen entdeckt, die mir nicht gefallen. So werde ich die Interruptroutinen zum x-ten Mal neu schreiben. Diese Routinen steuern die einzelnen Züge in ihrer Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und das Anfahr- und Bremsverhalten. Es ist auch absehbar, daß mit dem KC maximal vier Züge unabhängig voneinander gesteuert werden können. Der KC ist dann am Ende seiner Rechenleistung. Bei Maussteuerung bewegt sich der Mauspfeil nur noch ruckartig über den Bildschirm.
MB 001
Im Bild 1 ist der Schaltplan des MB 001 dargestellt. Herzstück der Schaltung ist der C565. Der DL374 (74LS374) dient als Datenpuffer. Sicher gibt es heute auch D/A-Wandler mit integriertem Puffer, aber die hatte ich nicht auf Lager. Wer einen anderen Typ verwenden möchte, dem kann ich die Leiterplatte entsprechend ändern. Ich benötige dazu lediglich ein Datenblatt. Es sollten aber nur Wandler mit R2-Netzwerk verwendet werden.
Doch zurück zur Schaltung: R12 dient nach Herstellerangaben dem Nullpunktabgleich. Er kann durch einen 120-Ohm-Widerstand ersetzt werden, da sich der Nullpunkt besser mit R6 einstellen läßt. Der MBE kann mit R5 eingestellt werden. Der erste OV dient der Spannungserzeugung, der zweite hat eine reine Verstärkerfunktion. R13 dient der Sicherheit der LED des Optokopplers PC817.
Der A2030 (TDA2030) erhält über den Spannungsteiler R7 und PC817 am positiven Eingang die Steuerspannung. Die Rückkopplung erfolgt über R10 an den negativen Eingang. Um ein Aufschwingen des OV zu vermeiden, wird der Ausgang über C6, C7 und R11 entkoppelt. Sie dienen auch der Beseitigung von Oberwellen, die von außen in die Schaltung eingestreut werden (z.B. Motoren der Lokomotiven). Eingangsseitig übernimmt diese Aufgabe C5 in Verbindung mit R9. Die ausgangsseitig wirkenden induktiven Rückströme der Motoren werden über D3, D4 abgefangen. Die antiparallelen Dioden D1, D2 dienen der Nullspannungserweiterung und können bei Bedarf weggelassen werden. R4 ist ein reiner Überlastschutz gegen ausgangsseitigen Kurzschluß. Er wird aus Heizdraht hergestellt. Seine Leistung sollte 50 Watt nicht unterschreiten. Ich verwende Heizdraht aus einem alten Fön für die Puppenstube (150 W).
Das Layout der Leiterplatte ist in den Bildern 2 und 3 dargestellt. Es wurde mit EDIPIC erstellt.
Die Leiterplatte wird zuerst gebohrt und alle Leiterzüge auf Haarrisse untersucht. Jetzt kann man die Durchkontaktierungen einlöten und die LP mit den passiven Elementen bestücken. Der Optokoppler wird zum Schluß eingesetzt. Er sollte für die spätere Fehlersuche auf einen Sockel gesteckt werden. Anschließend wird der B084 eingelötet. Es folgen die DL374 und der C565. Diese "Treiberseite" bis zum Optokoppler sollte jetzt abgeglichen werden. Dazu wird ein Voltmeter und ein Amperemeter benötigt. Beide werden in Reihe zwischen Digitalmasse und Anode des PC817 geschaltet. Der PC817 darf noch nicht gesteckt sein! Jetzt wird das M001-Modul eingeschalten, das Programm FTRTEST.KCC unter CAOS geladen und mit FTRTEST Adresse 1 aufgerufen. Die Adresse legt man fest, in dem die Signale clt1 und clt2 an die Ausgänge des MB 003 angeschlossen werden (z.B. 80H und 81H). Zum Testen kann man aber auch Bit 1 und Bit 2 von Port B des M001 verwenden. Die Adressen lauten dann 02H und 04H.
Mit der Minus-Taste wird der Wert 00H eingestellt. Die Werte von Strom und Spannung müssen sich ändern. Nun kann man mit R6 den Wert 0,95 V einstellen. Der Strom sollte nie über 20 mA gehen. Anschließend stellt man mit der Plus-Taste den Wert FFH ein und gleicht den Endwert des DAU mit R5 auf 1,07 V ab. Auch hier darf der Strom nicht über 20 mA gehen.
Nach diesem groben Abgleich wird der A2030 mit dem Kühlkörper eingebaut. Die Verstärkerseite wird nun als getrennte Baugruppe getestet. Statt dem PC817 wird ein Widerstand von 1 kOhm transistorseitig eingebaut. Das Voltmeter wird zwischen Ausgang und Modellbahnmasse eingebaut. Mit Einschalten der Versorgungsspannung von +- 15 V kann durch Drehen des Potis R8 der Bereich von +13 V bis -13 V durchfahren werden. Der Kühlkörper sollte dabei nur "handwarm" werden. Wird der Kühlkörper heiß, so ist entweder einer der Kondensatoren C6, C7 defekt oder R11 unterdimensioniert. Er sollte dann gegen z.B. 12 Ohm ausgetauscht werden.
Zum Schluß wird der Optokoppler eingesetzt und die Schaltung noch einmal abgeglichen. Diesmal wird das Voltmeter an den Ausgang der Verstärkerstufe angeschlossen. Begonnen wird mit dem Wert 80H. Der Ausgang wird mit R8 auf 0 V abgeglichen. Bei 00H wird mit R6 die Ausgangsspannung auf +12 V eingestellt. Beim Hochfahren des Eingangsbytes muß die Ausgangsspannung nach wenigen Schritten abfallen. Der Endwert FFH wird mit R5 auf -12 V eingestellt. Im Normalfall kann R8 zusammen mit R7 durch einen Festwiderstand von 27 kOhm ersetzt werden. Wichtig bei der Einstellung sind die Anfangs- und Endwerte der Karte. Die Nullspannung kann softwareseitig mit berücksichtigt werden. Dieser Abgleich sollte mehrfach durchgeführt werden.
Die Spannungen +- 15 V für den DAU und +- 15 V für den A2030 sollten aus getrennten Netzteilen bezogen werden.
Vorteile des MB 001:
- 8-Bit-Eingang
- kostengünstiger Spannungsregler
- galvanische Trennung zwischen Rechner und Fahrspannung
- kurzschlußfest
Nachteile des MB 001:
- Nichtlinearität des eingesetzten Optokopplers
- Spannungsabfall von ca. 1 V bei einem Strom von 1 A über R1
Die Nichtlinearität des Optokopplers ist im Bild ?? abgebildet. Für die Steuerung einer Modellbahnlok ist diese jedoch unkritisch.
Das war der erste Teil; die anderen Beschreibungen und das Programm (Entwurf) gibt es beim nächsten Mal.
Bild 1: Schaltplan des MB 001
Bild 2: Leiterplatte des MB 001 (Bestückungsseite)
Bild 3: Leiterplatte des MB 001 (Leiterseite)