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ORD-1

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ORD-1 ist eine Hardware-Schnittstelle für die Modellbahn-Steuerung.
Die Baugruppe wurde speziell für die Verwendung mit Rocrail entworfen.

Vorstellung

Diese Selbstbau-Kommando-Station verbindet einen Computer mit der Modellbahn-Anlage. Der Computer erzeugt den Datenstrom für die Steuerung der Loks und Weichen. ORD-1 verstärkt diesen Datenstrom. Außerdem liest der Computer den Rückmelder-Status von S88-Modulen über den ORD-1 zurück. Die einzigartige Eigenschaft des ORD-1 ist die optische Isolation, die das Risiko von Beschädigungen der Computer-Hardware minimiert, die durch Spielereien mit der relativ hohen Modellbahn-Spannung entstehen können.

Um Rocrail mit der DDX-Schnittstellen-Bibliothek im Automatikmodus betreiben zu können, wird ein minimaler Testaufbau verwendet:

  • Einfacher PC mit einer seriellen und einer parallelen Standard-Schnittstelle, sowie Linux oder Windows als Betriebsystem.
  • ORD-1 mit Kabeln und Transformator.
  • NMRA-DCC-kompatible und/oder Märklin-Delta/Digital-kompatible Lokomotiven.
  • NMRA-DCC-kompatible und/oder Märklin-Delta/Digital-kompatible Zubehör-Dekoders für Weichen und/oder Signale (wie ORA-1).
  • S88-Rückmelde-Module mit Kabeln (wie ORF-1).
  • Einige Gleise, Weichen und Zeit…

An sich ist der Zusammenbau unkritisch, grundlegende Elektronikkenntnisse sind jedoch von Vorteil. Wer z.B. mit den Begriffen 'Kathode' und 'Anode' nichts anzufangen weiß, sollte vielleicht doch besser die Finger davon lassen.

Eigenschaften

  • Volle Rocrail-Unterstützung
  • Galvanische Tennung zwischen Computer und Modellbahn durch Opto-Koppler
  • Eingebauter 2,5A Booster (ungeregelt) mit Strombegrenzung und Kurzschluss-Erkennung
  • Anschluss für externe Booster über Boosterbus-Stecker
  • Programmiergleis-Anschluss mit Rückmeldung
  • Anschlüsse für vier S88-Busse
  • Euro-Platine mit 160 x 100mm
  • Anschlussklemmen für einen Modellbahn-Trafo 1 x 16V oder 2 x 16V

Blockdiagramm

ddl-1.jpg

Dateien

Gesamte Dokumentation: https://github.com/rocrail/GCA/tree/master/ord-1
Die letzte Version ist 1.52; ältere Versionen stehen nicht mehr zur Verfügung.

Schaltpläne und Layout wurden mit KiCad, einer Open Source CAD Lösung erstellt.

Hinweise

  • Bitte DDX verwenden, nicht DDW oder DDL.
  • Einige Computer haben schwächere Schnittstellen-Treiber, die das Gleis-Daten-Signal verzerren können. Wenn Probleme bestehen, sollten für R42 Werte von 330 Ω bis 2,2 kΩ probiert werden.
  • Status: Vollständig getestet. Mehrere Einheiten wurden aufgebaut.

Bauteil-Hinweise

  • Leistungswiderstände:
0,33Ω für 2,5A Ausgangsleistung. 0,22Ω für 3A Ausgangsleistung (nur verwenden wenn eine gute Kühlung vorhanden ist)
Es müssen 4W-Typen mit max. 17mm Länge verwendet werden.
Längere Widerstände müssen stehend eingelötet werden. Es können auch mehrere Widerstände parallel geschaltet werden. Z.B. 3 Stück 1Ω, 2W, Metallfilm, parallel ergibt 0,33Ω.
  • Relais:
FEME VMA 001 12 (Elfa Artikel Nr. 37-069-18) oder Schrack PE014012 (Conrad Artikel Nr.: 503946-62) oder (Fujitsu-)TAKAMISAWA VE12H-K.
Ansonsten kann jedes 12V, 5A, 20 bis 29mm Standard-Relais mit 1 x Umschalter benutzt werden. Diverse Bohrlöcher sind dafür in der Platine vorgezeichnet.
Wenn 29mm-Relais verwendet werden, muss der Kühlkörper verkleinert oder versetzt angeordnet werden.
In 04.2013 bietet ein Forumbeitrag eine weitere Alternative: http://forum.rocrail.net/viewtopic.php?p=49766#49766
  • Glättungs-Kondensatoren:
Es können entweder C13-C24, 16mm Durchmesser, 7,5mm Pin-Abstand, 1000µF minimum 35V oder C11 und C12, snap-in-Typ verwendet werden.
Wenn ein Trafo ohne Mittenabgriff ( 1 x 16V ) verwendet werden soll, wird empfohlen, Elkos mit der größtmöglichen Gesamt-Kapazität zu verwenden, mindestens 2 x 6000µF.
  • Gleichrichter-Dioden:
Die Dioden müssen den maximalen Strom aushalten, den der Trafo liefert. Für geringe Lasten können 1N5401 verwendet werden.
Wenn die vollen 3A gefordert sind, sollten stärkere Dioden als die 6A10 eingebaut werden.
Um den Spannungsverlust an den Dioden zu minimieren, können Schottky-Dioden verwendet werden, z.B. SR506.
  • Kühlkörper:
Ein PC-CPU-Kühler mit Ventilator ist eine einfache und günstige Lösung. Bohren Sie 2,5mm Löcher in den Kühlkörper und schneiden Sie ein M3 Gewinde in den Kühler.
Die Transistoren und 78xx IC's müssen mit Nylon-Schrauben und Isolierscheiben am Kühler befestigt werden.
Über den Kontakt P9 kann der Ventilator mit 12V versorgt werden. Es können natürlich auch andere Kühlkörper verwendet werden.
Wichtig ist aber, dass die Rückseiten der Transistoren keine elektrische Verbindung zum Kühler haben.

Zusammenbau

  1. Zuerst müssen die Drahtbrücken eingelötet werden. Die längste Brücke muss isoliert sein, da sie direkt an den Gleichrichter-Dioden vorbei führt.
  2. Nun alle kleinen Bauteile (Widerstände, Dioden, kleine Kondensatoren - am besten in dieser Reihenfolge) einbauen.
    • Die Drähte der Widerstände müssen nah am Widerstandskörper gebogen werden (das sollte bei Hochverfügbarkeitssystemen nicht gemacht werden, aber dies ist nur ein Hobby ;-) ).
    • Bitte die Polarität/Richtung der Dioden beachten (die Seite mit dem Ring wird an das rechteckige Lötpad gelötet.), LEDs (das lange Bein wird an das rechteckige Lötpad gelötet) und Elko's (das Minuszeichen muss zum runden Lötpad zeigen).
  3. Das Netzteil aufbauen und testen.
  4. Zuletzt die ICs einbauen. Eventuell Sockel vorsehen (Bei U2 und U3 [74HC244], die den S88-Bus versorgen, besonders zu empfehlen).
  5. Den Kühlkörper befestigen. Überprüfen, ob die Transistoren gegenüber dem Kühler isoliert sind.
  6. Für einen ersten Test einen Trafo mit geringer Leistung vorsehen. Es reicht aus, einen der beiden Eingänge mit Spannung zu versorgen!

Anschluss an den PC

ORD-1 wird mit Standard-1zu1-Verlängerungskabeln (mit jeweils einem männlichen und einem weiblichen Stecker) mit dem PC verbunden. 9pol-D-Sub für die serielle Schnittstelle (RS232) und 25pol-D-Sub für die parallele Schnittstelle (printer port).

Wenn das Relais nicht anzieht, muss die BIOS-Einstellung des Drucker-Port geändert werden. Bei einigen PCs geht es mit der Standard-Einstellung, sonst muss die Einstellung auf ECO+EPP geändert werden.

Wenn der ORD-1 mit dem COM-Port verbunden ist und der Server gestartet wurde (keine COM-Port Fehler im Log), zeigen die LEDs folgendes an:

D10 dunkel = keine S88 Daten am Bus 1
D12 dunkel = keine positive Gleisspannung
D13 dunkel = keine negative Gleisspannung
D14 dunkel = keine Daten
D15 dunkel = STOP
D16 dunkel = normal (kein Programmiermodus)
D17 leuchtet = Kurzschluß / negative Spannung am Ausgang zu gering
D18 leuchtet = +5V vorhanden
D19 leuchtet = +12V vorhanden
D20 leuchtet = negative Spannung vorhanden

Wenn die Spannung eingeschaltet ist (der Knopf "Gleisspannung einschalten" (Glühlampen-Symbol) in Rocview ist gedrückt), zeigen die LEDs folgendes an:

D10 dunkel = keine S88 Daten am Bus 1 (wenn kein S88 Bus angeschlossen ist)
D12 blinkt sehr schnell = positive Gleisspannung vorhanden
D13 blinkt sehr schnell = negative Gleisspannung vorhanden
D14 blinkt sehr schnell = Daten vorhanden
D15 leuchtet = GO
D16 dunkel = normal (kein Programmiermodus)
D17 dunkel = kein Kurzschluß
D18 leuchtet = +5V vorhanden
D19 leuchtet = +12V vorhanden
D20 leuchtet = negative Spannung vorhanden


Einstellungen für Rocrail

Seit Rocrail 1.1 wird DDX als Zentralen-Modul verwendet. Alle Parameter können im Dialog eingestellt werden.

Funktionsbeschreibung

Netzteil

Der Trafo wird mit den 3-poligen Anschluß J1 verbunden. Die beiden Sicherungen F1 & F2, schützen den Booster im Falle eines Kurzschlusses. Vier Dioden, D6-D9, richten die Eingangsspannung gleich. Die Glättung der Spannung wird durch die Elko's C11 & C12 oder C13-C24 vorgenommen. Die geglättete Gleichspannung beträgt ohne Last ungefähr +-24-30V. Wenn ein 1x16V-Trafo verwendet wird, muss er mit GND (die mittlere Klemme von J1) und einem der beiden Wechselstrom-Eingänge verbunden werden. In diesem Fall werden nur eine Sicherung und zwei Dioden benötigt. Die Schaltung fungiert dann als Einweg-Gleichrichter. Die Glättungs-Elkos speichern Ladung zwischen den Wechselstrom-Halbwellen. Weil es bei der Einweg-Gleichrichtung eine ungenutzte Halbwelle gibt, müssen die Elkos deren Zeit überbücken und die Kapazität verdoppelt werden. Wird ORD-1 ausgeschaltet, entladen sich die VAA-Elkos relativ schnell über die 78xx Stabilisatoren. Die -VAA-Elkos entladen sich über R58.

Zwei Standard-Spannungsregler U5 (7805) & U6 (7812), erzeugen die Spannungen für die Elektronik. Zwei kleine Kondensatoren, C9 & C10, entkoppeln die +12V und die +5V Versorgung.

Drei LEDs verschaffen einen Überblick, ob die Betriebsspannungen anliegen. Optional kann ein Lüfter zur Kühlung an die Schaltung angeschlossen werden.

Serial-Port-Schnittstelle

  • Data: Der PC sendet Daten seriell über den TX-Pin, J2 Pin 3. Nominale Spannung ist +-12V, aber die meisten seriellen Schnittstellen haben nur eine geringe Ausgangsleistung. Die Spannung wird deshalb geringer wenn wir das Signal mit R42, C1, O9 und O10 belasten. O9 und O10 sind gegenpolig geschaltet, sodass jeweils nur eine LED bei einem positiven und eine bei einem negativen Signalteil leuchtet.
  • GO: Der PC sendet das GO/STOP Signal über DTR, J2 Pin 4. Positiver Ausgang > DTR low > O11 LED on > Booster GO.
  • SC: Der PC empfängt das Kurzschluß Signal über DSR, J2 Pin 6. Kurzschluß > O12 Transistor schaltet das positive Signal durch > DSR high
  • PT: Der PC empfängt das Programming Track Ack SWignal über RI, J2 Pin 9. Ack > Transistor schaltet RI nach GND > RI low (Impuls)


Booster-Bus Daten-Pfad

Das Datensignal wird durch zwei Optokoppler, O9 und O10 geleitet und gelangt in ein FlipFlop, U1A und U1B. Hier wird über die Pullup-Widerstände R39 und R40 die Form und Flankensteilheit des Signals verbessert. Danach geht das Signal zum Boosterbus-Anschluß und zum internen Booster der ORD-1. Die beiden Dioden D23 und D24 schützen U1 vor zu hohen Spannungen, R31 schützt vor zu hohem Strom.

Stop/Go

Das Schaltsignal Stop/Go wird über den Optokoppler O11 und Gatter U1C zum Boosterbus geleitet. Außerdem wird Treiberstufe Q2 u. Q4 des internen Booster des ORD-1 über U7.3 und Q5 gesperrt bzw. freigegeben.

Booster

Der Booster ist unstabilisiert. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung ungefähr den selben Wert hat, wie die gleichgerichtete und geglättete Spannung des Netzteils. Zur Verstärkung der Eingangssignale wird jeweils einer der Ausgangstransistoren durchgeschaltet. Das Ergebis ist ein Rechtecksignal.

Kurzschluss-Erkennung

sc_det.jpg Im normalen Betrieb liegt die Spannung über dem Kondensator C2 (1µF), bei ungefähr -4V (-20V + 15V + 1V = -4), weil jeder negative Teil des Ausgangssignals C2 mit einem Teilstrom über die Zenerdiode Z1 und die Diode D4 entlädt. R23 (100Ω) verhindert einen zu hohen Entladestrom über die Dioden. Der positive Teil des Ausgangssignals kann C2 nur über R16 (10kΩ) aufladen. Dies ist zu wenig um im normalen Betrieb die Kurzschlusserkennung auszulösen. Wenn es einen Kurzschluss nach Masse gibt, kann über die Zenerdiode und die Diode kein Strom mehr fließen und C2 wird aufgeladen. Wenn die Spannung hoch genug ist wird über D5 U7.7 (ULN2802A) angesteuert. Dadurch wird über LED D17 und Optokoppler O12 das Erkennungssignal ausgelöst (SC). Wenn der Booster-Bus Pin 5 hochgesetzt ist, löst U7.8 das SC Signal aus. Der Filter D21 & C27 stellt sicher, dass keine Störeinflüsse über den Boosterbus die SC-Erkennung auslösen können.


Programmiergleis (PT=programming track)

Die Steuerung erfolgt über die par. Schnittstelle Pin 14, Optokoppler O8, U7.6 mit Relais K1, dass das Hauptgleis abschaltet und das Programmiergleis einschaltet. Über U7.4 wird die PT-Aktivierung mit LED D16 angezeigt und andere Booster mit U1C durch "Stop" über den Boosterbus deaktiviert. Durch einen Schalter (oder Jumper) an Stiftleiste P5 kann die PT-Funktion auch manuell aktiviert werden.

Ack-Erzeugung

Wenn der Lokdekoder einen Bestätigungsimpuls sendet (Ack), erhöht er seine Stromaufnahme für eine kurze Zeit. Der erhöhte Strom erzeugt eine höhere Spannung über R51. OP U4 ist als Komparator mit verschiedenen Zeitkonstanten für den negativen und positiven Eingang geschaltet. U4 erkennt die kurzzeitig erhöhte Spannung und schaltet den Ack-Optokoppler O13 für eine kurze Zeit ein (weniger als 10ms).

Hinweis:
Für den Fall, dass ACK-Impulse nicht gelesen werden können, gibt diese Seite interessante Hinweise: http://www.stacken.kth.se/~haba/slamra/dcc/ackpulse/


S88

Vier S88-Busse werden parallel eingelesen. Einige Steuerungsprogramme können allerdings nur den ersten Bus auslesen. Die S88-Signale werden mit U2 und U3 gepuffert. Eine LED zeigt den Status von Bus 1 an.

Anschlussbeispiel

Wenn Sie unsicher sind wie sie Ihre ORD-1 anschließen sollen, sehen Sie sich das Beispiel-Diagramm an:

Anschlussbeispiel

Sollten Sie nun immer noch unschlüssig sein, stellen Sie Ihre Frage im Rocrail-Forum.

Bilder

3D-Bild, generiert durch KiCad, ORD-1 Version 1.5


Produktionsmuster: ORD-1 version 1.3
ASCII


ORD-1, Version 1.5, mit AMD-CPU-Kühler
ord-1.jpg


ORD-1, Version 1.52, aus einem Bausatz erstellt
ord_1_654.jpg



ORD Prototyp
ord-0.1.jpg


ord-1-de.txt · Last modified: 2018/11/12 08:56 (external edit)