Hallo Stummiland,
Schon lange habe ich mir vorgenommen unser Weichenstellpult und die Elektronik zur Ansteuerung der Weichen hier vorzustellen. Jetzt habe ich gesehen, dass es mindesten eine Stummikollegen gibt der nach einer Möglichkeit sucht eine billige Weichenansteuerung zu bauen: viewtopic.php?f=21&t=51512&p=1929102#p1926904
Darum habe ich beschlossen die Geschichte jetzt zu zeigen.
Die Elektronik ist schon vor mindestens 6 Jahren entstanden und wird inzwischen auf der zweiten Anlage eingesetzt. Sie ist auf Streifenrasterplatinen aufgebaut und ich suche nach einem Grund mal eine „richtige“ Platine dafür zu entwickeln. Wenn noch jemand hier im Forum Interesse an so einer Schaltung hätte, dann währe das ja ein guter Grund oder?
Überblick:
Das Besondere Dabei ist, dass die Schalter und die Weichen über Multiplexer angesprochen werden. Dadurch spart man sich sehr viele Bauteile und Kabel.
Im Weichenstellpult sitzt ein Arduino (ATTiny84) der die Schalter einliest. Diese werden über eine Matrix eingelesen. Dadurch kann man mit relativ wenigen Prozessorpins sehr viele Schalter einlesen. Das Ganze ist so klein, dass es Problemlos im Weichenstellpult Platz findet. Nach draußen werden momentan nur 6 Kabel geführt (I2C Bus, CAN, Takt, Reset). Bei einem Neubau würde ich das vermutlich auf 3 Leitungen reduzieren.
Für mein LED Projekt (viewtopic.php?f=7&t=165060) habe ich letztens eine Platine entworfen welche man zum einlesen von 80 oder mehr Schaltern benutzen kann. Diese würde ich jetzt verwenden.
Zur Ansteuerung der Weichen benötigt man normalerweise zwei Leistungstransistoren (Für jede Spule einen). Das hat mir nicht gefallen. In unserer aktuellen Anlage sind 66 Weichen und etwa 30 Bistabile Relais verbaut. Dafür würde man knapp 200 Transistoren mit der zugehörigen Ansteuerung benötigen. Das geht natürlich gar nicht!
Darum habe ich eine Schaltung entworfen mit der man 256 Magnetartikel (128 Weichen) mit nur 40 Transistoren ansteuern kann.
Das Prinzip hat noch einen weiteren großen Vorteil. Alle Weichen werden über ein einziges 40-poliges Flachkabel angesteuert. Dadurch ist die Verkabelung sehr übersichtlich.
Über den Multiplexer könnte man außerdem die Position der Weichen Induktiv auslesen. Das habe ich aber bis jetzt noch nicht umgesetzt.
Zur Zustandsanzeige würde ich einem Neubau RGB LEDs einsetzen wie ich das für die Häuser und Signale mache (viewtopic.php?f=7&t=165060). Damit kann man sehr viele RGB LEDs (256) mit nur einem einzigen Signal in Helligkeit und Farbe ansteuern. Und das tolle daran ist, dass eine LED nur 7 Cent kostet.
Interessiert? Dann lest weiter…
Weichenstellpult
Das Weichenstellpult zeigt einen stilisierten, drei dimensionalen Plan der gesamten Anlage. Der Schattenbahnhof wird nicht gezeigt, weil es sonst zu unübersichtlich würde. Hier wird bewusst nicht die übliche Blockdarstellung des Vorbilds verwendet, weil:
- mir diese nicht gefällt
- es damit schwierig ist eine Anlage mit vielen Ebenen und verteilten Weichen zu visualisieren
Mit den im Weichenstellpult verbauten Schaltern werden die Weichen, Lichter und einige Sonderfunktionen gesteuert.
Für Zusatzfunktionen ist ein LCD-Display und ein Dreh/Drück Schalter vorhanden.
Die Belegung der einiger Gleise wird mit LED’s angezeigt (Wechselzuggleise).
Das Weichenstellpult ist nur über einen 14-poligen Stecker mit dem Zugsteuerrechner verbunden. Darüber wird die Versorgungsspannung (5V), I2C-Bus, CAN Bus, und einige diskrete Signale für den Dreh/Drück Schalter und die Schalterabfrage übertragen.
Das Weichenstellpult besteht aus einem Rahmen aus Buchenleisten und zwei Plexiglasplatten als Frontplatte. Zwischen die Plexiglasplatten ist das Bild der Anlage eingelegt. Die Schalter sind in die hinteren Platte geschraubt. Dadurch sind die entsprechenden Muttern und anderen Befestigungsschrauben von außen nicht sichtbar.
Abbildung 1: Weichenstellpult
Schalter
Zum Einlesen der Schalter wird eine Schalter / Dioden-Matrix verwendet welche vom Steuerrechner periodisch abgefragt wird.
Abbildung 2: Schalter / Dioden-Matrix
Weichen / Magnetartikel Ansteuerung
Die Ansteuerung der Weichen, der bistabilen Relais und anderer Magnetartikel wird über eine Transistor Matrix gelöst welche aus 8 PNP und 32 NPN Leistungstransistoren besteht. Damit können 256 Spulen angesteuert werden. Bei einer konventionellen Ansteuerung würden dafür 256 Halbleiter benötigt. Die Transistoren bilden 8 Zeilen und 32 Spalten. Noch effektiver wäre eine Quadratische Matrix mit 16 Zeilen und 16 Spaltentransistoren gewesen, aber die Anordnung ist so „gewachsen“.
Abbildung 3: Matrix zur Ansteuerung der Weichen und Magnetartikel
Jede Spule kann durch aktivieren der entsprechenden Zeile und Spalte einzeln angesteuert werden. Das gleichzeitige Umschalten mehrerer Spulen ist damit nicht möglich. Das ist aber auch nicht nötig, da die Spulen nur 50ms lang angesteuert werden können die Weichen nacheinander, ohne merkliche Verzögerung, geschaltet werden.
Das sequenzielle Ansteuern der Ausgänge bietet einige Vorteile:
- Der Maximale Stromverbrauch ist gering (Genau ein Spulenstrom). Bei gleichzeitiger Ansteuerung mehrere Aktuatoren muss die Stromversorgung so dimensioniert werden, dass alle Spulen versorgt werden können.
- Der Strom kann mit einer einzigen Schaltung überwacht werden (Kurzschlussschutz).
- Mit einer zusätzlichen Schaltung kann die Einschaltdauer begrenzt werden was während der Softwareentwicklung wichtig ist.
- Der Aufwand zur Ansteuerung der Transistoren vom Mikrokontroller aus ist gering. Es können Demultiplexer IC’s verwendet werden (54HC238 und 54HC4514). Dadurch werden nur 8 Datenleitungen zur Ansteuerung benötigt.
- Die Matrix kann auch zur Messung der Weichenstellung benutzt werden.
Die Dioden in Reihe zu den Spulen verhindern Fehlerstöhme durch nicht aktive Spulen.
Das folgende Bild zeigt einen Teil der Elektronik mit 8 Zeilentransistoren (Links) und 16 Spaltentransistoren (Rechts). Die Schaltung wurde später mit einer zweiten Platine mit 16 zusätzlichen Spalten erweitert.
Abbildung 4: Weichenansteuerung Platine
Einfache Verkabelung der Weichen über Flachbandkabel
Zur Ansteuerung aller Magnetartikel werden 40 Leitungen benötigt (8 Zeilen und 32 Spalten). Die Elektronik wird in der Mitte der Anlage positioniert. Von Dort aus gehen sternförmig Flachkabel zu den verschiedenen Teilen der Anlage. Diese enthalten jeweils die 8 Zeilenleitungen und einige der Spaltenleitungen. Diese sind so verteilt, dass auf jedem Pfad noch Reserven vorhanden sind. Die Flachkabel sind im folgenden Bild mit Blauen Linien gezeigt. Die schwarzen dünnen Striche sind die 3-poligen Kabel zu dem Weichen.
Abbildung 5: Sternförmige Verkabelung mit Flachkabeln
Zum Anschluss der Magnetartikel werden kleine Lochsteifen Platinen verwendet welche an die Flachkabel angesteckt werden. Auf diesen Platinen befinden sich die Dioden zur Verhinderung der Fehlerstöhme und drei polige Stecker für die Weichen. Die Dioden werden so Platziert, dass die entsprechende Weichennummer adressiert wird. Sie werden also zum Kodieren der Adresse benutzt. Solche Anschlussplatinen werden an verschiedenen Stellen unter der Anlage eingesetzt. Im Bild oben befinden sie sich an den Knotenpunkten der Schwarzen Leitungen welche zu den Weichen führen. Für jeden Knoten wird einfach ein Pfostenstecker an das Flachkabel gequetscht und die Platine angesteckt. Bei einem Zwischenknoten führt das Flachkabel dann zum nächsten Knoten (Das Bild zeigt einen Endpunkt).
Abbildung 6: Anschlussplatine für Weichen
Was haltet Ihr davon?
Wer gibt mir einen Grund dafür, dass ich mal eine „Richtige“ Platine für die Weichenansteuerung machen kann?
Hardi
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