Modelové hodiny

Stejně jako ostatní kluby modulové železnice i my jsme před lety začali řešit řízení provozu dle modelového (zrychleného) času. S tím souvisel i postupný vývoj zařízení a celé technologie. Na následujících řádcích bych Vám rád představil naši koncepci a samozřejmě i jednotlivá zařízení.

Trocha historie

Tradicí mých článků je drobné okénko do historie. Ani tentokrát nebude výjimka. 🙂 Jaké nemoci jsme tedy již prodělali? Na úplném začátku jsme se snažili vyřešit většinu provozních zařízení formou „tohle to mi leží nevyužité v garáži“. 🙂 Layout byl jen velmi skrovný, a hlavně ještě nezasahoval do různých zákoutí haly. V té době přišel náš zakládající člen MirekTT s nabídkou, že má doma několik velkých displejů, které původně sloužily pro zobrazování aktuálního „jackpotu“ u heren a automatů. Současně s nabídkou ale poznamenal, že nemá ani schéma, ani zdrojové kódy či firmware (dále jen FW). Při ohledání se zařízení jevilo celkem ideální.

Tím začala delší doba opakovaného rozebírání, překreslování desky plošného spoje (DPS) na schéma, tvorby prvotního FW a samozřejmě ladění. Naštěstí byla koncepce displeje velmi pokroková a desky byly vybaveny rozhraním JTAG, což vše velmi usnadňovalo. Při zpětném pohledu bylo programování hodin samozřejmě jen tou nejjednodušší a nejkratší částí prací. Každý, kdo někdy profesionálně programoval FW pro embedded zařízení, tak ví, že to není zrovna vysoká škola programování. U HW bez dokumentace je to ovšem vždy činnost spojená s překvapeními. 🙂 Už tehdy jsme přidali možnosti nastavení různých zrychlení běhu času, různých přepínatelných variant zobrazení a samozřejmě naši klubovou běžící reklamu. Takto na svět přišlo řešení s jedním centrálním displejem umístěným na dřevěných štaflích, či na stole, na všeobecně viditelném místě se současně výhodnou polohou vůči slunečnímu svitu. Celý layout tehdy byl umístěný na hlavní ploše sálu a jeho zvětšování si vyžadovalo i práci na dalších provozních věcech (telefonie, DCC…), proto byl další vývoj dán na chvilku k ledu.


Obrázek 1: Pravěké řešení s jedním displejem na stole

Několik setkání nám toto řešení celkem spolehlivě sloužilo.

Při jedné z mnoha následujících klubových diskuzí tehdy navrhl náš člen Luděk umístit zařízení na stojan s trojbokou hlavicí vytvořený z kombinace nerezu a sklolaminátu. Celé to navrhl, nakreslil a perfektně i zrealizoval. Tím odpadlo hledání vhodných štaflí, a hlavně to celé získalo „štábní kulturu“. Jeho trojboké provedení hlavice pro nás ovšem znamenalo, že bude nutné zajistit ještě další dva stejné displeje a samozřejmě upravit FW na společnou synchronizaci času. Variantu samostatného běhu každého displeje a společného ovládání jsme zavrhli už na začátku (stejně jako mechanické nádražní hodiny). Zajištění absolutní stability krystalu a časovače procesoru je věc, která se velmi těžko realizuje i v laboratorních podmínkách, natož pak v podmínkách podzimní tělocvičny. Jelikož byly jednotlivé displeje velmi blízko sebe, tak padlo rozhodnutí je propojit pomocí sériové linky RS232, jejímž rozhraním byly již z výroby vybaveny. MirekTT byl opět velmi velkorysý a daroval do klubu i ony další dva displeje, za což mu patří velký dík a vděk. Luděk se navíc projevil jako velmi prozíravý konstruktér a celou sestavu udělal skvěle rozebíratelnou. Hlavice s hodinami je možné jednak umístit do plné výšky 3 m, ale stejně tak je možné ji umístit i jen do poloviny pro stísněnější setkání. Rozběhly se práce na úpravě FW. Testování probíhalo v mém obýváku, který po několik týdnů ve dne v noci intenzivně rudě zářil jako sídlo stripklubu. I pes si nakonec na neustále opakující se blikání číslice zvykl. Po zdárném odladění nám i toto řešení několik setkání poctivě sloužilo. Začali jsme jim říkat, zcela neoriginálně, BigBen.

Až další provozní setkání a současně se rozšiřující plocha layoutu ukázaly drobná úskalí tohoto řešení. Pro strojvedoucí je řešení naprosto ideální. Trojboké provedení je viditelné z celého layoutu i při různých světelných podmínkách. Horší je situace pro výpravčí a obsluhu stanic blízkých stojanu. Těm otáčení hlav nahoru nedělá příliš dobře. Toto období se přibližně krylo s naší interní diskuzí ohledně perspektivy celkové kabeláže. Při návrhu rozvodu MBNet proto padlo rozhodnutí přidat časový synchronizační signál do tohoto rozvodu, aby bylo možné přidat do systému další zařízení zobrazující modelový čas na různých místech layoutu. Tak se zrodil projekt staničních hodin a vlastně celého současného řešení. Při jejich testování jsem sice již neměl doma takovou rudou zář nad Kladnem, ale pro změnu byl konferenční stolek jako dům pomateného hodináře.

Současné technické řešení

Nejprve začnu asi nejdůležitější informací. Náš systém modelových hodin je cíleně naprosto nezávislý na jakékoliv centrále a prvcích DCC. Může fungovat v různých provozních sestavách a konfiguracích. Pro komunikaci v rozvodech MBNet je použitá sběrnice RS485, jelikož je robustní a umožňuje dostatečný počet uzlů (až 128 zařízení – dle typu RS485 budiče). Díky velmi nízké přenosové rychlosti 4800Bd není celé zapojení choulostivé ani na fyzické provedení rozvodu kabeláže. Celý princip komunikace je navržený jako jednosměrný, a to ze zařízení MASTER do zařízení typu SLAVE. Staniční hodiny jsou logicky vždy zařízení typu SLAVE, zatímco LAN převodník a centrální hodiny BigBen jsou konfigurovatelné a mohou zastávat v systému obě role. Je to logické s ohledem na jednotně řízený centrální čas.

Všechna zobrazovací zařízení v našem systému samozřejmě nezobrazují jen čas a případné provozní zastavení centrálního času (periodické blikání „StoP“ na staničních hodinách a na velkém centrálním displeji „PAUSA“), ale mají zabudovanou i primitivní diagnostiku, aby bylo možné zjistit přibližnou příčinu potíží. Dlouho trvající výpadek signálu (více jak 5 reálných sekund), který může být dán například poruchou v kabeláži nebo odpojením MASTER hodin od elektrického napájení, je na displeji signalizován jako trvale svítící čtveřice pomlček („—-„).  Signalizován je i déle trvající přijímaný chybný formát dat a to znakem „Errr“. Obsluha tak snadno pozná, že něco není v pořádku a má možnost přivolat někoho z elektrosekce, aby vše prověřil. Zatím tato funkce v reálu nebyla potřeba, ale při zkouškách odolnosti se ukázala jako plně funkční.

Primární snahou při návrhu celého systému bylo řešení uživatelsky přívětivé pro laiky a pokud možno Plug&Play, tedy bez nutnosti nastavování parametrů u jednotlivých kusů. Celý systém se ovládá dvěma tlačítky u centrálních hodin případně pomocí tlačítek na monitoru PC.

Seznamem komponent systému:

  • Centrální hodiny (BigBen)
  • Staniční hodiny
  • LAN převodník (Ethernet/RS422)

Centrální hodiny – BigBen

Jejich vznik jsem již popsal na začátku článku. Teď přidám pár technických informací. Celou sestavu našich centrálních hodin tvoří trojice šestimístných sedmisegmentových displejů společně umístěných se spínaným napájecím zdroje a převodníkem RS232/RS422 v trojboké hlavici na skládacím stojanu. Jeden z displejů je nakonfigurovaný jako MASTER ostatní dva jako SLAVE (toto je možné snadno změnit pomocí přepínače na DPS). Z této hlavice je vyveden kabel z displeje MASTER až k patě stojanu s plastovým ovládacím panelem s tlačítky, pomocí kterého se provádí ovládání a nastavování hodin. Parametry zrychlení lze nastavit jen po restartu displeje. Čas je možné nastavit kdykoliv. Uvnitř celé sestavy v hlavici je zastavěná i zásuvka pro připojení hodin k MBNetu, aby bylo vše rychle a snadno oživené. Celé oživení a nastavení nezabere více jak pět minut.

Na našich provozních setkáních jsou centrální hodiny zdrojem synchronizačního hodinového signálu pro celý layout viz Obrázek 8: Kompletní schéma zapojení modelových hodin.

Obrázek 2: Centrální hodiny (BigBen) na stojanu

Staniční hodiny

Staniční hodiny jsou malé kompaktní hodiny určené k umístění na stůl v dopravně tak, aby službu konající personál měl přehled o aktuální modelovém čase. Z toho vychází i celá jejich koncepce. Není nutné žádné nastavování! Prostě se připojí kabelem k MBNetu a o víc se obsluha nemusí starat – Plug&Play. Klidně je možné mít ve stanici i dvoje připojení za sebou. Celé zapojení je založené na bázi populárního procesorového modulu Arduino Nano. Schéma je velmi prosté a většina součástek je v provedení SMD, takže i vrtání je poskrovnu. K zobrazování je použitý displej komunikující pomocí I2C (TM1637), který je možné zakoupit na různých e-shopech v různých velikostech a cenách. Celý plošný spoj je primárně určený pro zástavbu do krabičky GME-U-01-04. Při vývoji nastalo dilema, jak budou vlastně jednotlivé hodiny napájené. Po měření a testech na prototypu vyšlo, že lze docílit odběru proudu zcela ekvivalentního k jedné myši multiMaus. Tento výsledek umožnil, aby hodiny byly napájeny i z napájecího napětí pro ovladače. Navržený spínaný zdroj na bázi MC34063 nezatěžuje napájení z MBNetu více jak 30 mA, a to ani při maximální nastavení jasu všech LED segmentů (běžný provozní stav je jas = 50 % maxima). Hodiny mají dvě ekvivalentní průběžné zásuvky na MBNet na protilehlých bočnicích, aby mohly sloužit jako průchozí a nebylo nutné kvůli nim zvlášť větvit kabeláž. Další vychytávkou je zástavba nouzového tlačítka, které doposud leželo volně na stole a zabíralo tak cenný prostor. Stůl ve frekventovanější stanici bývá nezřídka plný dopravních pomůcek, karet vozů, grafikonů… a tak se každý ušetřený centimetr hodí. Toto tlačítko vede do booster-konvertoru a slouží výpravčímu ke galvanickému odpojení DCC ve svém obvodu v případě případného blížícího se problému. Fotografie skutečného provedení je obrázku 3: Staniční hodiny.

Obrázek 3: Staniční hodiny

LAN převodník (Ethernet/RS422)

Několik měsíců před zatím posledním provozním setkáním jsem se opět dostal do výrobně-vývojové nálady, a tak jsem se rozhodl uvést do praxe myšlenku, kterou už jsem nastínil v článku o koncepci naše zapojení. Jde o obousměrný převodník do sítě LAN na bází Xportu. Vzhledem k mé hlavní pracovní činnosti v oboru průmyslových sběrnic mám doma celkem zásobu různých nových i repasovaných kusů zařízení. 🙂 Většina tvorby tentokrát nespočívala ani tak v návrhu zapojení zařízení, ale v osvěžení si programování v DotNet a v úpravách FW.
K integraci tohoto prvku mě vedla idea, že by bylo vhodné mít možnost zcela vynechat centrální hodiny, které jsou logisticky velmi náročné na prostor a pro malá komorní setkání postrádají smysl. Je o dost výhodnější vzít notebook, projektor a případně malé staniční hodiny. Programování a testování celého řešení zabralo asi měsíc práce. Vznikly dvě aplikace, které bylo nutné otestovat ve spojení se všemi konfiguracemi HW. Aplikace ModelClockSim slouží pro generování hodinových dat a aplikace ModularClockView slouží k zobrazení hodin na notebooku a projektoru. Při posledním elektroworkshopu jsme provedli zástavbu do elektrobedny a prvek jsme propojili do našeho LAN routeru s Wi-Fi. Tím se ještě rozšířila možnost přenosu hodinového signálu za pomoci Wi-Fi (k PC není nutné vést kabel). Následně jsme vše testovali na třídenním provozním setkání v Pozořicích, a to včetně zátěžových testů (rušení, nesymetrie signálu…) s pozitivním výsledkem.

Foto se zobrazením hodin pomocí projektoru následuje za schématy zapojení.


Obrázek 4: LAN převodník pro modelové hodiny

Jak už jsem naznačil výše, tak se může tento převodník na celé sběrnici chovat jednak jako podřízený (SLAVE), pak slouží k přenosu dat z datového rozvodu do PC nebo dataprojektoru, nebo jako MASTER, kdy za pomoci programu z PC lze přímo generovat synchronizační časový signál a tím řídit všechny podřízené. Je možné dosáhnout provozu i bez centrálních hodin jen za pomoci PC, projektoru a staničních hodin, a to v různých kombinacích. Ze schématu bude vše snad zřetelnější.

Zde jsou dva z několika možných příkladů tohoto zjednodušeného zapojení:

Obrázek 5: LAN převodník je MASTER (zdroj hodinového signálu)

Obrázek 6: Centrální hodiny BigBen a staniční hodiny bez připojení elektrobedny

A takhle vypadá provedení s projektorem v akci.


Obrázek 7: Zobrazení programu ModularClockSim na dataprojektoru

Na našich provozních setkáních využíváme následující schéma zapojení:


Obrázek 8: Kompletní schéma zapojení modelových hodin

Závěr

Celé naše řešení je modulární a hlavně škálovatelné. Se současnou technologií jsme schopni provozovat různé sestavy zařízení, a to s ohledem na velikost a charakter setkání, od zcela komorních, kde není potřeba ani externí booster, až po velké provozní setkání v Pozořicích. Výrazně se díky celé technologii zvýšil komfort pro obsluhu stanic, a to bylo naší primární snahou. Modulové setkání by mělo být příjemné a pohodové a k tomu má i tato technologie přispět. I v tomto případě nebudu říkat, že je stav této technologie již definitivní. Současné zkušenosti ale naznačují, že větší změny již pravděpodobně nebudou nutné.

Příspěvek byl publikován v rubrice Elektronika. Můžete si uložit jeho odkaz mezi své oblíbené záložky.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *