Railnet

Staničné digitály

DCC | Peter Harmady, 14. 11. 2013 (4885 zhliadnutí)

V článku o hodinovej ústredni tu som v závere predviedol prototyp hodinových staničných digitálov (digitálnych hodín umiestnených priamo v stanici a ukazujúcich zrýchlený modelový čas). Výhody staničných digitálov sú predovšetkým v tom, že obsluha stanice a fírovia si nemusia vykrúcať krk, aby videli veľké hodiny kdesi na stene alebo BigBen v strede miestnosti. A najmä pre menšie deti je vhodnejšia digitálna informácia než obvyklé ručičkové analógové hodiny bez číslic, však aj zošiťáky máme s číslicami… Posielanie digitálnej dátovej vety je spoľahlivejšie voči analógovým impulzom aj v tom, že ak hodiny nezachytia niektorú zmenu času, ďalšia informácia o novom čase hodiny napraví na správnu hodnotu. Hodiny som však nenavrhoval len pre digitálne dáta IBIS (európska dátová zbernica pre prostriedky verejnej dopravy) používané v BA Railnete, ale aj pre obvyklý analógový systém +-12/24V, ktorý je na stretnutiach omnoho rozšírenejší než akékoľvek digitálne riešenia, a to nielen v našich končinách.

Požiadavky

Čítanie digitálnej informácie je veľmi jednoduché, pokiaľ netreba o informáciu žiadať alebo ju potvrdzovať. Protokol IBIS, ktorý používame najmä na BA stretnutiach, používa na nastavenie času inštrukciu uHHMM<CR>P vysielanú hodinovou ústredňou pri zmene, kde HHMM je čas, CR je 0x0d a P je kontrolná parita. Hodiny neustále čítajú zbernicu a akonáhle obdržia inštrukciu napríklad u0620<CR>, tak im je jasné, že je potrebné nastaviť čas 06:20. Nič iné po tej zbernici ani nechodí.

Okrem IBIS digitálu musia byť staničné digitálne hodiny schopné čítať aj omnoho rozšírenejší analógový signál, ktorý vyzerá najčastejšie ako obojpolaritný obdĺžnik (na obrázku úplne vľavo) alebo zriedkavejšie aj ako schodovitý obdĺžnik s medziúrovňou v nule (obrázok v strede). Polarita signálu sa musí striedať (teda pokiaľ chcem zachovať funkciu totožnú s fungovaním veľkých analógov s kotvou medzi elektromagnetmi) a opakované impulzy len jednej polarity hodiny posunúť nemajú. Úplne vpravo je alternatíva, ak sa signál generuje napríklad vybíjaním kondenzátora. Napätie impulzov dosahuje zvyčajne 24V alebo zhruba polovičnú hodnotu (12 až 15V), zriedkavejšie aj viac (48V).

Digitaly02 Digitaly03 Digitaly04

Pri ľavom signáli je jeho spracovanie jednoduché, tam stačí orezať zápornú polvlnu a procesorom čítať kladnú a nulovú hodnotu. Pri strednom (a pravom) sa to už takto nedá, pretože zmena z kladnej na nulu alebo zo zápornej na nulu nemá nič zmeniť. Hodiny treba prehodiť až pri zmene úrovne z nuly na kladnú hodnotu a pri poklese z nuly na zápornú. Tu núkajúce sa riešenie vyhodnocovania absolútnej hodnoty stredného a pravého signálu je nespoľahlivé pre ľavý signál, pretože pri strmom obdĺžniku je nula extrémne krátka a nemusí byť rozpoznaná. Okrem toho je aj tak nutné vnímať striedavú postupnosť kladných a záporných impulzov, aby bola zachovaná zhodná funkcia týchto hodín s klasickými analógovými.

Zobrazovanie času by malo byť viditeľné na staničných hodinách aj z druhého konca dlhej stanice, ale nemali by byť rozmerné a neskladné. A aby hodiny boli čitateľné aj pri slabšom osvetlení, vhodnejšie asi budú LED zobrazovače než LCD, hoci aj podsvietené. V analógovom režime je nutné vedieť hodiny nastaviť ručne. Napájanie ideálne také, ktoré už na stretnutí používame.

Zvažoval som chvíľku hodiny vybaviť aj kompatibilitou s Loconetom, nakoľko aj ten má inštrukcie pre hodiny. Výhodou Loconetových hodín voči klasickým analógom či akýmkoľvek digitálnym riešeniam je najmä úspora káblovania, pretože Loconet je vždy dostupný priamo v stanici. Nevýhodou je však to, že Loconet sa na rozvod času v našich končinách prakticky vôbec nepoužíva, okrem iného je to spôsobené asi aj tým, že vysielanie času nie je funkciou každej centrály. Pri vyššom počte zariadení na zbernici je jej ďalšie zaťažovanie nežiadúce, hoci časová komunikácia je vlastne zanedbateľná oproti hlavnej, prebiehajúcej medzi Fredmi a centrálou. No a ešte ďalšou nevýhodou sú špecifické napäťové úrovne pre logické úrovne Loconetu. Do Loconetu som sa teda pri týchto hodinách vôbec nepúšťal.

Zapojenie

Základom je ATMEL ATTINY 2313 procesor, ktorý multiplexne rozsvecuje display, číta stav tlačidiel a samozrejme vstupy. Vstup je kvôli spoľahlivému rozpoznávaniu uvedených typov impulzov vyhodnocovaný dvojitým komparátorom a zisťuje, či je na vstupe napätie vyššie než asi 5,3V, záporné pod -0,3V alebo je niekde medzi.

Digitaly05

Výber typu komparátora sa ukázal dôležitý, keďže vstup porovnávam voči jeho napájaniu. Ideálny pre tento účel je MCP6542, ktorý funguje korektne v oboch krajných hodnotách. Napríklad ICL7621 podľa datasheetu znáša na vstupe 0,3V mimo napájania oboma smermi tiež, ale fungoval dobre len pri napätiach pod úrovňou záporného napájania. Ak mal na invertujúcom vstupe +5V (zhodne s kladným napájaním), tak vyšie napätie na neinvertujúcom vstupe už nedokázalo výstup preklopiť do logickej jednotky. D5 je obojsmerný transil, pretože indukčnosť cievok analógových hodín vyrába pri prepínaní nepríjemne vysoké napäťové impulzy. Kombinácia R1C1 odfiltruje prípadné vysokofrekvenčné rušenia či zákmity. Hodnota C1 by teoreticky nemala byť veľmi vyššia než asi 1n5, inak by to začalo už významne skresľovať hrany pri IBIS dátovej komunikácii (1200Bd).

Spracovanie signálu

Komparátor pri vstupnom napätí nad 5V pošle procesoru signál PLUS, pri napätí pod 0,3V signál MINUS. PLUS je zároveň napojený aj na USART vstup, ktorým procesor číta digitálne IBIS dáta. Procesor reaguje na výstupy komparátorov a USARTu súčasne. Na posun času o minútu reaguje len vtedy, ak po impulze na PLUS prišiel impulz na MINUS a opačne, presne ako je to na analógových staničných ručičkových hodinách s kotvou. Opakované impulzy len jednej polarity hodiny neposunú. Nový signál musí „chvíľu“ trvať (asi 50 ms), aby bol považovaný za platný, inak je ignorovaný. Uvedená hodnota je nastavená programom a je to kompromis medzi odolnosťou voči krátkym falošným impulzom a možnou šírkou „oprávneného“ impulzu. Digitál funguje tak, že je na vstupe „skoro stále“ logická úroveň H, čiže je aktívny signál PLUS a len krátkodobo sa objaví NULA. MINUS tam nebude vôbec, pretože IBIS sa hýbe v rozsahu 0-12V. Na zmenu signálu z PLUS na NULA alebo naopak analógový režim nereaguje, musí tam byť vždy následnosť PLUS-MINUS-PLUS-MINUS atď. Je nemožné, aby hodiny pochopili rýchle analógové impulzy ako špecifické IBIS dáta. Z neexistencie záporného signálu MINUS pri IBIS dátach je zase nemožné, aby ich hodiny pochopili ako analógové impulzy. Dátová informácia má svoj špecifický formát a zmena času nastane len vtedy, ak je táto informácia formátovaná správne. Tým je možnosť pomiešania sa analógu s digitálnou informáciou vylúčená. Procesor pracuje s dvoma prerušeniami, jedným sa počíta čas a tým aj multiplexované zobrazovanie displaya, druhý číta USART.

Použitie a funkcie hodín

Hodiny sú po zapnutí nastavené do režimu modelového zrýchleného času (fastclock). Vtedy sledujú signály na vstupe a podľa nich sa mení zobrazený čas buď analógovými impulzami alebo IBIS dátami. V prípade analógovej prevádzky je kedykoľvek možné nastaviť čas (zhodný s ručičkovými) pomocou dvoch tlačidiel na pravej strane krabičky. Pri IBISe to síce možné je tiež, ale najbližšia IBIS inštrukcia nastavený čas prepíše prijatými dátami. Podržaním tlačidiel nad asi 2 sekundy sa posúvajú číslice s väčším krokom (obdoba autorepeat). Po pripojení napájania hodiny začínajú vo FAST režime v čase 05:50 (zodpovedá obvyklému začiatku grafikonu) a čakajú na externý impulz alebo IBIS dáta.

Hodiny okrem zrýchleného modelového režimu vedia fungovať aj v reálnom čase. Zmena režimu hodín na opačný sa udeje súčasným stlačením oboch tlačidiel. Režim po takejto zmene zobrazí nakrátko buď nápis FAST (fastclock – zrýchlené modelové hodiny) alebo REAL (skutočný čas). V reálnom režime hodiny nereagujú na vstup pre analógové alebo IBIS dáta. Aj v reálnom režime je samozrejme možné tlačidlami nastaviť čas. Zmena režimu je možná kedykoľvek.

Digitaly06

Digitaly07

Presnosť reálnych hodín je však daná vnútorným oscilátorom procesora, takže dlhodobú presnosť čakať nemožno, je to len funkcia navyše k existujúcemu hardware. Tlačidlá na zmenu režimu dokážu aj meniť jas hodín buď na nízku úroveň (spodným minútovým tlačidlom) alebo maximálny jas horným hodinovým. Jas sa dá nastaviť podržaním tlačidla počas zapnutia hodín (pripojenie napájania). Na nízkom jase majú hodiny zhruba polovičný odber než pri jase maximálnom a to je dôležité pre tepelnú stratu stabilizátora napájania, pretože stabilizátor odvádza teplo len po medených plochách plošného spoja. Pri ručnej zmene jasu sa na displayi znázorní krátkodobo informácia JAS a pseudobargrafová indikácia na úplne pravom displayi. Jedna vodorovná čiarka znamená nízky jas, tri vodorovné čiarky znamenajú jas vysoký. Stredný predvolený jas takto znázorňovaný nie je.

Digitaly08

Digitaly09

Dvojbodka medzi dvojicami číslic na hodiny a minúty indikuje, čo sa s hodinami deje. Trvalým svitom indikuje, že naposledy boli prijaté kladné a záporné impulzy, čiže hodiny fungujú podľa analógového signálu. Ak dvojbodka bliká rýchlo viackrát za sekundu, naposledy hodiny prijali platnú IBIS dátovú inštrukciu. Ak dvojbodka bliká pomaly v sekundových intervaloch, hodiny sú prepnuté do režimu reálneho času. Po prepnutí režimu z reálneho do zrýchleného modelového času dvojbodku zhasne a rozsvieti sa až podľa prijatého signálu. Dvojbodka je teda zhasnutá aj po zapnutí hodín až do prijatia nejakého signálu alebo prepnutia na reál.

Mechanická konštrukcia

Plošný spoj som navrhoval pre krabičku PP4M z tme.sk s rozmermi 121x55x31mm, čo je zhruba dvojnásobný objem než má FRED pri takmer zhodnej dĺžke, čo umožňuje prepravu hodín spolu s Fredmi. Veľkosť LED displejov je 25mm (číslica má 20mm). Kvôli dosiahnutiu čo najlepšej viditeľnosti aj pri silnejšom osvetlení sú vhodné vysokosvietivé displaye (použil som červené SA08-11SRWA). Farebné plexisklo podstatne vylepšuje kontrast medzi svietiacimi a tmavými segmentami. Konektory pre napájanie i vstupný signál sa nachádzajú na bočných stranách zámerne. Ak by boli na spodnej strane, hmotnosť visiacich káblov by káble mohla vyťahovať. Dve tlačidlá na pravej strane hore trčia z krabičky asi 1,5 mm. Tým je zachovaný obrys krabičky a je dobre skladná.

Digitaly10

Digitaly11

Digitaly12

Digitaly13

Na napájanie je teoreticky možné použiť takmer „čokoľvek“ v rozsahu spoľahlivej práce stabilizátora 7805 (po úbytku na usmerňovači jednosmerné asi 8-32V, striedavé asi 7-25). Príliš veľké napätie však spôsobuje zbytočnú tepelnú stratu stabilizátora (odber hodín sa pohybuje od asi 60 do 200mA podľa počtu rozsvietených segmentov, nastaveného jasu a použitej farby displaya) a optimálny zdroj je preto v rozsahu 8 až 9V=. Hlavný zdroj tepla, 78M05 v SMD verzii, sa nachádza zo strany spojov. Preto som už navrhol aj druhú verziu zapojenia, v ktorej som zrušil celú stabilizáciu a nahradil napájanie USB B konektorom. Takto v hodinách nie je žiadny významný zdroj tepla, USB má práve potrebných 5V a je schopné dodať obvykle až 0,5A. Vzhľadom na nabíjanie telefónov, tabletov, prítomnosť notebookov atď. o USB zdroj by núdza byť nemusela. Do tejto ďalšej verzie som zapracoval už aj niektoré pripomienky od Zdena Janečka, najmä k zapojeniu vstupov a displayov.

Záver

Hodiny sú použiteľné na analógové účely od asi 12V vyššie i IBIS dáta. Analógová prevádzka je možná aj na vyššie napätie (napríklad 48V) len s úpravami niekoľkých súčiastok – najmä ochranného transilu D5, prípadne ešte D1/2+R1. Hodiny sú upraviteľné len softwarovo aj pre iný dátový protokol, pokiaľ ten používa napäťové úrovne v rozsahu asi H > 10V, L <5V. Na rozdiel od klasických ručičkových analógov nemusia byť sfázované – akákoľvek polarita pretočí tieto hodiny o krok ďalej (ak je opačná ako bola predchádzajúca), ale klasické veľké analógové hodiny s kotvou sa posunú do párnej minúty len jednou konkrétnou polaritou a do nepárnej zasa len tou opačnou. Nevýhodou je ťahanie rozvodu do stanice a nutnosť nastaviť hodiny po strate napájania.

[Akt. známka: 0,00 / Počet hlasov: 5] -      + 

Pridať nový komentár

Boco 15.11.2013 07:26:42

Vylepsenia ...


Cafte, no vyborne, ale este by som to mozno vylepsil impulznym zdrojom, su dostupne male lacne moduly, tie tolko nekuria ako 78xx a prenos signalu skusit vyriesit 433MHz modulmi, v otvorenom priestore maju dosah do 100m, ceny sa pohybuju radovo jednotiek eur, aspon co som na EBAYi pozeral.

Boco

Reagovať

dano 19.11.2013 13:20:28

Taketo urcite chcem :)

Prosim si jednu stavebnicu.

DanoM

Reagovať

Pridať nový komentár