E-Book, Deutsch, 202 Seiten
Wostrack Digitale Modellbahn selbstgebaut
1. Auflage 2019
ISBN: 978-3-96088-906-9
Verlag: dpunkt.verlag
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark
CANguru-Steuerung mit ESP32 in Arduino-Umgebung
E-Book, Deutsch, 202 Seiten
ISBN: 978-3-96088-906-9
Verlag: dpunkt.verlag
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark
Gustav Wostrack studierte im Rahmen seiner Tätigkeit als Zeitsoldat Elektrotechnik (Schwerpunkt Nachrichtentechnik), danach folgte sein Studium der Informatik mit Schwerpunkt Linguistik mit anschließender Tätigkeit als Projektleiter für große IT-Projekte bei der Bundeswehr. Seit 2016 ist er pensioniert. Nebenberuflich befasst er sich intensiv mit Mikroprozessoren und deren Anwendung, insbesondere bei seinem zweiten Interessengebiet, der Modelleisenbahn.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1 | Das Buch für den motivierten Modelleisenbahner |
Wie ist das Buch aufgebaut?
Das Ziel dieses Buchs ist eine funktionierende digitale Modellbahn. Nicht als Blackbox, von der man nicht so genau weiß, warum sie eigentlich funktioniert. Folgen Sie den Anleitungen dieses Buchs, kennen Sie am Ende – wenn Ihnen das wichtig ist – jedes Detail. Dabei sind die Wege dorthin vielfältig. Dies drückt sich bereits in der Kapitelstruktur aus. Ein Kapitel – nämlich dieses – sollte von allen gelesen werden. Andere sind nur für diejenigen interessant, die sich bei der Beschreibung des Adressatenkreises in der Kapitelüberschrift angesprochen fühlen. So ist das zweite Kapitel dem Bastler gewidmet und beschreibt recht ausführlich, wie die Decoder und parallel dazu die Anlage aufgebaut werden. Man könnte auch sagen, dieses Kapitel ist der Schwerpunkt des Buchs. Das darauffolgende Kapitel erklärt, wie das alles funktioniert. Dafür werden nur wenige Grundlagen benötigt. Dieser Teil ist für denjenigen, der auch mal selbst ein Stück Software erstellen will, von herausragender Bedeutung. Wer einfach nur basteln will, muss es nicht zwingend lesen. Denn man kann das Ziel erreichen, auch ohne das letzte Detail der angewandten Technik auch wirklich durchdrungen zu haben. Dann folgt der Teil, der für den Nutzer – meinetwegen auch den Spieler – wichtig ist. Hier steht nämlich, wie die Anlage zu bedienen ist. Schließlich will man nach dem vielen Schweiß, den das Aufbauen gekostet hat, durch intensives Spielen mit der Anlage auch etwas Freude genießen.
Doch genug der Vorrede. Los geht’s.
Ziele der Entwicklung
Bevor ich mit der eigentlichen Entwicklung der Decoder begonnen habe, gab es bereits eine längere Phase, in der ich Überlegungen anstellte, was meine Decoder leisten können sollten und welche Randbedingungen dabei Berücksichtigung finden sollten. Das führte zu den folgenden Entwurfskriterien.
- Do It Yourself
Die Digitalanteile einer Modellbahn kann man komplett aufgebaut und getestet in den einschlägigen Geschäften kaufen. Da geht man kein Risiko ein.
Aber ist es das, was wir wollen?
Wollen wir wirklich nur alles zusammenstecken und dann zuschauen, wie die Bahn ihre Runden dreht?
Ich denke, die Antwort lautet: Nein.
Die richtige Freude kommt doch erst auf, wenn man den Dingen selbst das Leben eingehaucht hat. Früher gab es Menschen, die an den Vergasern ihrer Autos geschraubt haben, obwohl die Motoren schon ganz gut liefen. Es hat ihnen einfach Freude bereitet. Und solche Menschen sind auch die von heute. Sie haben einfach Freude am Werkeln, Ausprobieren und Entwickeln und wollen sehen, wie sich die eigenen Gedanken in Taten umsetzen lassen. Wenn Sie etwas davon im Blut haben, dann sind Sie hier richtig.
- Einfach
Eine Modellbahn fliegt nicht zum Mond und die Menschen, die sie aufbauen, sind auch keine Raketenwissenschaftler. Natürlich wird hier ein gewisses, wenn auch begrenztes technisches Verständnis vorausgesetzt. Deshalb müssen die eingesetzten Komponenten einerseits eine hohe Funktionalität aufweisen, andererseits dürfen sie dafür aber nur wenige Bauelemente mit überschaubaren Abläufen benötigen. Hinzu kommt, dass durch den massiven Einsatz von drahtlosen (WLAN-ähnlichen) Verbindungen der Aufbau insbesondere hinsichtlich der notwendigen Leitungen drastisch vereinfacht wurde.
- Kostengünstig
Das Hobby Modellbahn ist nicht gerade billig. Das rollende Material, insbesondere die Lokomotiven, schlägt doch recht heftig zu Buche. Deshalb sollte die Elektronik nicht auch noch teuer sein. Aus diesem Grund stand die Kostenfrage immer im Mittelpunkt der Überlegungen, stets nach dem Motto »Viel Leistung für wenig Geld«. Gut, die Hardware muss immer noch käuflich erstanden werden, aber bereits bei der Software machen wir intensiv von kostenlosen Angeboten Gebrauch. So werden wir uns der notwendigen Entwicklungshilfsmittel kostenfrei bedienen.
- Wiederverwendbar
Die meisten Komponenten sind so modular aufgebaut, dass sie mit überschaubaren Änderungen für andere Zwecke nutzbar sind. So kann beispielsweise das Weichenmodul mit geringen Modifikationen der Software auch zur Ansteuerung von Formsignalen genutzt werden.
- Kompakt
Wo immer es möglich ist, wurden Komponenten mit hoher Packungsdichte eingesetzt. So wird für das Herzstück der vorgestellten Module nicht ein einzelner Prozessor, sondern ein Modul verwendet, das bereits ein CAN-Interface sowie eine Ethernet-Komponente aufweist (ESP32-EVB). Wegen der bereits dadurch bereitgestellten hohen Funktionalität sind nur noch wenige weitere Bauteile notwendig, um auf einer kleinen Platine oder alternativ auf dem Breadboard ein vollständiges Modul aufzubauen.
- Kompatibel
Durch den konsequenten Einsatz des Märklin-CAN-Protokolls lassen sich die hier vorgestellten Komponenten auch mit anderen käuflichen Modulen verwenden, die auf dem gleichen Prinzip beruhen.
Indem wir diese Entwicklungsziele verfolgen, stellen wir sicher, dass für den Bau und den Einsatz der CANguru-Komponenten keine vertieften Kenntnisse notwendig sind. Wenn ein Abschnitt einmal zu kompliziert scheint, um ihn ganz zu verstehen, gehen wir einfach über solche Stellen hinweg und kommen dennoch weiter zurecht.
Die aufgeführten Ziele lassen sich nur erreichen, wenn ein höchst leistungsfähiger Mikroprozessor kostengünstig zur Verfügung steht. Es ist der ESP32 von der Firma Espressif.
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Allerdings verbauen wir nicht diesen Chip direkt, sondern wir kaufen ihn auf einer kleinen Platine, die alle zum Betrieb notwendigen Bauelemente bereits mitbringt. Dies erleichtert den Aufbau der Module immens.
Big Picture
Bislang wurde schon viel über die Komponenten geredet. Um welche Komponenten handelt es sich eigentlich bzw. wie hängen sie zusammen?
Beide Fragen werden anhand der folgenden Grafik beantwortet.
Der Dreh- und Angelpunkt des Systems ist die CANguru-Bridge.
Sie verbindet die Steuerungssoftware Win-DigiPet auf dem PC mit den Modellbahnkomponenten.
Demnach werden alle Befehle, die der Nutzer über die Steuerungssoftware an die Loks, Weichen oder Signale gibt, über das Ethernet an diese Komponente geleitet, dort ggf. angepasst und an das zuständige Modul kommuniziert. Dies sind u. a. Änderungen an einer Weichen- oder Signalstellung oder der Geschwindigkeit der Loks. Somit werden auch alle Befehle, die den direkten Fahrbetrieb betreffen, von hier an die Märklin-Gleisbox geführt. Dafür werden die zugehörigen Befehle im CAN-Format von dem Steuerungsprogramm auf dem PC über das Ethernet dann mithilfe dieser Komponente auf einen physikalischen CAN-Bus gelegt und an die Gleisbox geleitet. Dort wird dann das entsprechende Signal erzeugt und über das Gleis an die Lokomotiven geführt.
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Für die Stromversorgung der Decoder gibt es lediglich eine zentrale Stelle, die eine Spannung von 5 Volt zur Verfügung stellt. Dies ist dann auch die einzige eingehende Leitung an die Decoder. Das reduziert die zu verlegenden Leitungen wiederum. Dadurch führen beispielsweise zum Servodecoder (zur Steuerung der Weichen oder Signale) lediglich zusätzlich die Kabel für die einzelnen Servos. Alle notwendigen Infos kommen über die Luftschnittstelle zum Decoder. Dies ist noch ein Beitrag zur Übersichtlichkeit und damit werden mögliche Fehler durch falsche Beschaltung reduziert.
Die Bridge nimmt aber auch Informationen aus dem Modellbahnsystem auf und leitet sie an das Steuerungsprogramm weiter. Dies sind insbesondere Rückmeldungen, also die Information, dass ein Zug eine bestimmte Stelle im Gleisbild erreicht bzw. passiert hat. Diese Information wird durch Gleisbesetztmelder erzeugt.
Beim Anmeldeprozess einer mfx-Lokomotive werden Daten erzeugt, die nicht direkt an das Steuerungsprogramm, sondern dieses Mal an den CANguru-Server weitergeleitet werden. Warum an diese PC-Komponente? Die Antwort lautet, dass diese Informationen zunächst noch weiterbearbeitet werden müssen. Dafür ist ein Mensch-Maschine-Interface notwendig. Und um es kurz zu machen: Alle Aktivitäten, die eine Nutzereingabe zur Verwaltung des Systems benötigen, werden über dieses Modul, den CANguru-Server, vorgenommen.
Im oben abgebildeten Schaubild sind als Decoder lediglich diejenigen für die Weichensteuerung sowie die Gleisbesetztmelder eingezeichnet. Darüber hinaus gibt es weitere Decoder, die die Modellbahn interessant machen: einer, der die Formsignale steuert, einer, der das LED-Signal bedient, und, um nur noch einen zu nennen, natürlich ein Lichtdecoder mit vielen...
