Zubehördecoder selbst gebaut

In der Märzausgabe 2003 der damaligen Elek­tronik­zei­tung „Elektor“ fand ich eine Be­schrei­bung einer Ein­platinen Ent­wicklungs­platt­form für einen ATMEL AT90S2313 Mikrocontroller. Ich war so­fort von den Eigen­schaften dieses Con­trollers begeistert und begann Ideen zu ent­wickeln, wie ich einen solchen Bau­stein für Auf­ga­ben auf der Modellbahn einsetzen kann. Der Be­schluss war schnell gefasst und ich be­stell­­te die Pla­tine bei Elektor und die Bauteile bei Con­rad.
Nachdem ich wenige Tage später alles zusammengelötet hatte, wurde das „Entwicklungs­sys­tem“ an den RS232 Port des PCs ange­schlossen und ein Code Beispiel von Elektor her­unter­ge­la­den. Das Uner­war­te­te geschah: Der Code lief sofort. Im Display las ich „DisplayTech 162“.
Nun konnte ich mich an die eigentliche Arbeit machen. Von Littfinski Daten­tech­nik hatte ich schon di­ver­se Wei­chen­de­co­der in verschie­de­nen Ausprägungen im Einsatz, mit Halbleiter Impuls­aus­gän­gen für Wei­chen­­spulen und mit Re­lais­aus­gän­gen für Mo­tor­wei­­chen. Als Ein­stiegs­­pro­jekt schien mir ein solcher DCC Zubehör­de­co­der des­wegen sehr ge­eig­net. Bei den Littfinski Geräten macht ein Zilog Con­troller die De­ko­dier­ar­beit, bei mir sollte es halt der ATMEL sein.

Die Eigenschaften, die den ATMEL in meinen Augen so geeignet erscheinen ließen:

• Er hat 2 KByte Flash Pro­gramm­spei­cher, also ausreichend für die Zer­le­gung des DCC-Protokolls
• Mit 128 Byte SRAM (statischer Schreib-/Lesespeicher) und 128 Byte EEPROM z.B. zur Speicherung der Decoderadresse
• Zwei Zeitgeber / Zähler mit Interrupt Eigenschaften, z. B. für das Aus­mes­sen der Zeit­dauer der DCC-Signale
• Genügend E/A-Ports mit den ver­­schie­­den­­sten umschaltbaren Ei­gen­schaf­ten.
• Zuschaltbare interne Pull-Up-Wi­der­stän­de, wenn die Ports als Eingang laufen
• Komparator für Analogspannungen mit Interrupt Möglichkeit

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Funktionsprinzip

Programmierung in Assembler war für mich nicht ganz neu. Ich hatte in der 8-Bit-Heim­computer-Zeit schon umfangreiche Erfahrungen mit dem Zilog Z80 Mikro­con­troller ge­macht und sehr kom­­plexe Pro­gramme in As­sem­bler geschrieben. Die größte Schwie­rig­keit, die ich bei meinem Pro­jekt sah, war die Zer­legung (Dekodierung) des DCC-Signals, die ich mit­hilfe von E/A- und Timer-Interrupts er­ledigen wollte.
Ich machte mich daran, den Vor­gang in einem Flussdiagramm niederzulegen, das sich all­mäh­lich über mehrere DIN-A4 Seiten erstreckte. Ich war davon aus­ge­gan­gen, dass ich „Einsen“ und „Nullen“ des Signals schon lesen konnte, hatte aber dafür noch keine genaue Lösung. Wie soll­­te ich nun aber das grund­­le­gen­de Erkennen der Bits erledigen?

Nach einigem grafischen Zerlegen von Signalen hatte ich folgende Lösung, die unabhängig von der Pola­rität des DCC-Signals funktionieren sollte:

Die Regeln dieses Algorithmus sind im obigen Diagramm bildlich dargestellt. In Worten:

• Jede positive Flanke (oder aber jede negative Flanke) des Signals erzeugt einen Programm Interrupt (eine Pro­gramm­unter­bre­chung). Welche Flan­ke gemessen wird, bestimmt die Ver­drahtung des DCC-Signals am De­co­der­ein­gang.
• Der Interrupt aktiviert einen 87 µs Ti­mer, der beim Ablauf einen weiteren Interrupt auslöst. In dieser Timer In­ter­rupt­rou­ti­ne wird der aktuelle Pegel des Signals nochmals gemessen, ist das „0“, dann haben wir eine „1“ ge­mes­sen, ist das immer noch „1“, dann haben wir eine „0“ gemessen. Die 87µs sind 3/4 der Periodenzeit des „1“-Signals. Für die Verarbeitung der In­formation stehen bis zum nächsten Timer-Interrupt mindestens wieder 116 µs zur Ver­fü­gung, in der der ATMEL Controller bei 10 MHz Takt­fre­quenz ca. 800 Anweisungen ver­ar­bei­ten kann (mein ganzes Pro­grämm­chen ist nur ca. 630 Wor­te­/An­wei­sun­gen lang).
• Die einzelnen Bits werden gezählt und gespeichert und zwischendurch immer wieder kon­trol­liert, bis am Ende eine „Präambel“ (das Ach­tungs­signal – „jetzt geht es los“), ein Adress­­byte, ein Befehls­byte und ein Prüfbyte (Checksum) zu­sam­men­kom­men.
• Nun wird nur noch die Nutz­in­for­ma­tion rausgefiltert, mit der die Aus­gän­ge entsprechend an­ge­steu­ert wer­den.

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Das ABC des DCC Weichentelegramms

Wie sieht ein solches DCC-Te­le­gramm für einen Zu­be­hör­ar­ti­kel aus? Nun, jedes Tele­gramm beginnt mit einem „Ach­tungs­pfiff“, einer Folge von mindestens 10 bis maxi­mal 14 digitale „Einsen“, „Präambel“ ge­nannt. Wenn danach ein „Null“-Bit folgt, beginnt erst die eigentliche Über­tra­gung. Für einen Zu­be­hör­de­co­der wer­den zwei Byte (eine Folge von 8 Bit) und ein Prüfsummen-Byte übertragen. Nach dem ersten „Null“-Bit kommt zunächst das Adress­byte, das für Zubehörartikel immer mit der Folge „10XXXXX“ an­fängt. Nach dem Adressbyte folgt wieder ein Null-Bit als „Trenn­zei­chen“ zum nach­fol­gen­den Be­fehls­byte. Das Befehlsbyte enthält den Rest der Adresse und die Infor­mation für die 4 Magnetartikel, die nor­ma­ler­wei­se vom Decoder gesteuert werden. Da im Normalfall ein Mag­net­ar­ti­kel, wie eine Weiche, 2 Spulen hat, die je­weils stromlos oder stromführend sein können, sind 16 In­for­ma­tio­nen er­for­der­lich, die binär kodiert in den letzten 4 Bit des Befehlswortes Platz finden (2 Spulen x 2 Zustände x 4 Magnetartikel = 16). Nach dem Befehlsbyte wird wieder eine digitale „0“ über­tragen, die vom Prüf­sum­men­­byte (C=Checksum) ge­folgt wird. Das Telegramm wird nach dem Prüf­summen­byte mit einer digitalen „Eins“ abgeschlossen. Der Decoder bildet nun aus Adressbyte und Befehlsbyte eben­falls die Prüfsumme (bitweise XOR-Verknüpfung beider Bytes) und vergleicht sein Ergebnis mit dem gerade gelesenen Prüfsummenbyte. Wenn die Sum­men gleich sind, kann die Infor­mation aus­ge­wer­tet werden, sonst wird sie verworfen und der Bediener der Weiche muss die Taste eventuell noch mal betätigen. Bild­lich dargestellt, sieht ein Tele­gramm für Zu­be­hör­ar­ti­kel und seine Aufbereitung also wie folgt aus:

Nun wird das Telegramm im Decoder wei­terverarbeitet. Die beiden Adress­tei­len werden korrekt zu­sam­men­ge­fügt, sodass sich eine 9-Bit Adresse ergibt. Die 3 Adressbits im Befehlsbyte sind die höherwertigen Bits der Adresse. Sie wer­den invertiert gesendet, sodass der De­co­der die in der nach­folgenden Ab­bil­dung dargestellten Arbeiten ausführen muss. Mit dieser 9-Bit Adresse lassen sich theoretisch 512 Decoder mit jeweils 4 Ausgängen adressieren, also mehr als 2000 Magnetartikel oder mehr als 4000 Spulen. Das dürfte auch für große An­la­gen mehr als aus­rei­chen.

Die eigentliche Arbeit für den Decoder kommt dann, wenn die so zu­sam­men­ge­bas­tel­te Adresse genau seiner im EE­PROM gespeicherten oder an den Dip­schal­tern eingestellten Adresse ent­spricht. Jetzt erst kann er die im Be­fehls­byte kodierten Ausgänge entsprechend setzen:

In der Praxis – zumindest ist das so bei meiner IntelliBox – ist das Bit B immer auf logisch 1. Man geht wohl davon aus, dass der Weichendecoder die Spule nach einer Zeit automatisch ausschaltet oder dass die Weichenspulen über eine End­ab­schal­tung verfügen. Die IntelliBox sen­det einen Wei­chen­be­fehl so lange wie­der­holt aus, bis der Anwender seinen Finger von der Taste nimmt oder die voreingestellte maximale Zeit abläuft. Drückt der Anwender nur sehr kurz, wird der Weichenbefehl so lange wiederholt, bis die minimale Zeit abläuft. Für Wei­chen und andere Magnetartikel liegt es deshalb nahe, die Spulen­ausgänge nach einer Mindestzeit auch wieder zu­rück­zuneh­men.

Natürlich gibt es auch Decoder mit Re­lais­aus­gän­gen oder bistabilen Relais. Decoder für Licht­signale benötigen natürlich Dauerausgänge für Signalbilder, die sich gegenseitig ablösen.

Die NMRA Recommended Practices (RPs) sehen für Weichendecoder ge­nau­so Kon­fi­gu­ra­tions­va­riablen (CVs) vor, wie für Lokomotivdecoder. In 2003 galt noch Festlegung, dass für Zu­behör­de­co­der die CVs bei der Nummer von 513 beginnen. Heute starten die CVs für Zu­be­hör­de­co­der genauso bei 1 wie die für Lo­ko­mo­tiv­de­co­der. CV 513 (CV1) ist z. B. für die Decoderadresse vor­ge­sehen, die CVs 515 bis 518 (CV3 bis CV6) für die Schalt­dauer der 4 Ausgangspaare. Diese RP921 sieht ebenfalls ein Telegramm für die Pro­gram­mierung der Wei­chen­de­co­der im lau­fen­den Betrieb der Anlage vor, genauso wie man auch Loko­motiven „on track“ umprogrammieren kann. Die Pro­gram­mie­rung eines Zubehördecoders wäre daher noch einfach über die Zen­trale machbar. Das Auslesen von CVs am Programmiergleis erfordert jedoch einen zusätzlichen elek­tronischen Me­cha­nis­mus, mit dem die Anfragen der Zentrale bestätigt werden können. Nach NMRA besteht eine solche Bestätigung aus einem erhöhten Stromverbrauch für die Dauer von 6 ms. Ein solcher, 100 % kom­pa­ti­bler Decoder schien mir wegen die­ser erhöhten Komplexität als Erst­lings­werk weniger geeignet.

Die Einstellung der Decoderadresse hat also mit anderen, einfacheren, Mitteln zu erfolgen. Ich habe mich dazu ent­schlos­sen, mit einem kleinen Taster einen Pro­gram­mier-Modus zu akti­vie­ren, der von einer LED angezeigt wird. Die Adresse des ersten Weichenbefehls, den der Wei­chen­decoder nun im digitalen Schie­nen­sig­nal erkennt, legt die Adresse des De­co­ders fest. Bei meiner IntelliBox, wie bei der Redbox und der Mastercontrol von Tams geht diese Adressierung nach der Formel:

Decoderadresse = ( IB_Weichennummer-1)/4 + 1

Wurde eine Weichenadresse erkannt, geht die LED wieder aus und der Decoder reagiert von nun an auf alle Befehle, die an diese Adresse gerichtet sind. Die Adresse wird null­span­nungs­sicher im EEPROM ab­ge­­legt und bei jedem Hoch­fah­ren der Anlage wieder in den Arbeits­spei­cher (RAM) kopiert.

Bei mindestens 100.000 Schreibzyklen des EEPROM kann die Adresse fast be­lie­big häufig ge­ändert werden. Wahr­schein­lich gibt der Taster eher auf als der EEPROM Speicher.

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Schaltung und Aufbau

Der Aufbau des Decoders geht mit einfachen Mitteln vonstatten. Ein Viertel einer Loch­ras­ter­pla­ti­ne in Europakartenformat 100 × 160 mm reicht für einen Decoder. Weil der ATMEL Controller intern schon Pull-Up-Wi­der­stän­de hat, kommt man mit recht wenig externen Bauteilen aus. Nicht zu ver­mei­den ist ein Optokoppler, der das Schie­nen­­sig­nal von der Strom­­ver­sor­gung entkoppelt. Die ULN2803 Leistungs-Endstufe reicht mit 0,5 A Dauerstrom für das Schalten der meisten Weichen mit Doppelspulenantrieb. Jeder Ausgang allein schafft 500 mA, der gesamte Bau­stein darf mit ca. 1 A belastet wer­den. Die Freilaufdioden, die zum Schalten von induktiven Lasten nötig sind, sind bereits im ULN2803 integriert.
Die Stromaufnahme der Controller-Schal­tung schwankt durch die An­steuerung des Treibers derart, dass eine einfache Stromversorgung mit einem Vor­wi­der­stand und einer Zenerdiode mit 5,1V Spannung nicht ausreicht. Der deswegen eingesetzte MC 7805 Spannungsregler ist mit 1 A zwar etwas über­di­men­sio­niert, aber recht preiswert zu haben. Be­son­ders wenn die Schal­tung aus dem DCC Schienensignal ge­speist wird, ist die höhere thermische Belastbarkeit des MC 7805 von Vorteil.

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Erste praktische Erfahrungen

Die ersten Exemplare des De­co­ders wurden gebaut und ge­tes­tet. Als Schwachpunkt stellte sich der Optokoppler heraus. Op­to­kop­pler sind recht langsame Bauelemente. Besonders die zunächst von mir ge­wähl­ten TIL111 aus der Bastelkiste ver­ur­sach­­ten durch Streuung und mangelnde Flan­ken­steil­heit Probleme am Interrupt-Eingang des ATMEL Pro­zes­sors. Die nun in der Version 2 eingesetzten 6N139 sind zwar auch nicht besonders schnell, haben aber dafür eine recht hohe Stro­m­verstärkung, die Streuungen in der DCC-Ein­gangs­span­nung und damit im Ein­gangs­strom spielend leicht abfängt. Fotostrom und Lastwiderstand sind so gewählt, dass die höchste Flan­ken­steil­heit des Opto­kopplers erreicht wird. Neben dem 6N139 wurde auch der 6N137 mit Erfolg getestet.

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Brown Out Effekt

Ein weiteres Problem mit dem Prototyp war der sogenannte „brown out“ Effekt. Er kann beim Ein- und Ausschalten der Ver­sor­gungs­span­nung auftreten und verursacht un­kon­trol­liertes Ausführen von Teilen des Controller­programms. Die Folge ist meis­tens ein korrupter EEPROM Spei­cher. Das hat wiederum zur Folge, dass der Decoder seine Adresse oder seine Be­triebsart ‚vergisst‘. Dieser Effekt kann nur verhindert werden, indem man in der kri­ti­schen Phase (relativ langsam ab­sin­ken­de oder anstei­gende Ver­sorgungs­span­nung) den Reset-Ein­gang auf Null hält. Hierfür gibt es verschiedene Bausteine, welche die Ver­sor­gungs­span­nung über­wachen und den Reset bei weniger als ca. 4,5 V auf Null ziehen. Alle haben den Nachteil der Kosten und/oder des zu­sätz­li­chen Platzbedarfs.

Bei diversen Tests hat sich die externe Beschaltung des Resets mit einem Bau­stein TL 7705 als absolut zuverlässig erwiesen. Alle Zwischenlösungen mit passiven Bauelementen wurden des­we­gen ad Acta gelegt. Der TL7705 ist ein sogenannter „Voltage Supervisor“ von Texas Instruments, der relativ preis­gün­stig ist, aber dafür einige externe Bau­tei­le benötigt.

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Selbstbau-Decoder WDecD-90 und WDecM-90

Schaltplan, Stückliste und Bi­när­co­de des von mir auf den Na­men WDecD-90 getauften Decoders (Weichendecoder DCC auf der Basis des AT90S2313) habe ich damals zur nicht kommerziellen Nutzung im privaten Be­reich veröffentlicht. Der Code wurde aber dennoch umgehend für kom­mer­zielle Zwecke genutzt und deswegen von der Seite entfernt. Seit November 2004 gibt es einen in der Funktion identischen Decoder mit gleicher Hardware für das Märklin-Motorola Gleisprotokoll, den ich WDecM-90 genannt habe. Die Soft­ware beider Decoder kennt acht ver­schie­de­ne Betriebsarten:

• Bedienung von 4 Doppel­mag­net­ar­ti­keln mit 0,25 s Impulsen
• Bedienung von 4 Doppel­mag­net­ar­ti­keln mit 0,5 s. Impulsen
• 4 × 2 Dauerausgänge für 2-begriffige Signale, Doppelspulenantriebe mit Endabschaltung oder mit (bistabilen) Relais für motorische Wei­chen­an­trie­be
• Kombination von 2 × 2 Dauer­aus­gän­gen und 2 × 2 Im­puls­aus­gän­gen
• Kombination von 1 × 2 Dauer­aus­gän­gen, 2 Blink­signalen und 2 × 2 Impulsausgängen
• 8 unabhängige Dauerausgänge, die mit einem Taster ein-, bzw. aus­ge­schal­tet werden können
• Kombination von 2 × 3 Dauer­aus­gän­gen für 3-begriffige Signale und 1 × 2 Impulsausgängen 0,25 s
• 2 × 4 Dauerausgänge für die An­steue­rung von 2 4-begriffigen Signalen.

Für die Ansteuerung von 3- und 4-be­grif­figen Lichtsignalen sind die Modi 7 und 8 zuständig. Applika­tionsbeispiele finden Sie in der Bedienungsanleitung. Speziell für die Anwendung als Signal­decoder kön­nen die Decoder die zuletzt an­ge­zeig­ten Signalbilder speichern und beim Ein­schalten der Anlage wieder anzeigen. Ist die Speicherung – vielleicht wegen der begrenzten Anzahl der Schreibzyklen des EEPROMs – nicht erwünscht, kann eine Brücke gesteckt werden, die Pin 8 des ATMELs mit Masse verbindet.

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AT90S2313, ATTiny2313 oder ATTiny2313A?

Der Prozessor AT90S2313 wurde von ATMEL abgekündigt und kann nur noch aus Rest­be­stän­den bezogen werden. Als Ablösung schlug ATMEL den ATTiny2313 vor, der vom Befehls- und Speicherumfang mit dem AT90S2313 kompatibel ist. Auch dieser Prozessor ist nicht mehr aktuell und wurde vom ATTiny2313A abgelöst. Die Firma ATMEL wurde von der Firma MicroChip übernommen, die aber das ATMEL Programm in ihr Portfolio übernommen hat. Der ATTiny2313(A) bietet zusätzlich einige Eigenschaften, über die der AT90 nicht verfügte:

• Interner RC Clock Generator
• interner Brown Out Schutz
• zusätzliche Funktionen der I/O Ports
• erweiterte Konfigurierbarkeit mittels sog. „Fuses“

Der Code für den AT90S2313 war zwar 1:1 auf dem ATTiny2313(A) lauffähig, setzte aber vor­aus, dass die Schaltung ebenfalls mit dem für den AT90S2313 noch notwendigen 10MHz Quarz aus­ge­stat­tet wurde. Mittlerweile wurde der Decoder auf der Basis ATTiny2313 von der Firma Darisus gebaut und ver­trie­ben. Der Code für die kom­mer­ziel­len Decoder wurde an­ge­passt – Entfall des Quarzes und Verwendung des eingebauten Brown-Out-Schutzes. Die neuen Decoder erhielten im Namen den Zusatz „-TN“ für „Tiny“ statt „-90“.

Die Prozessoren für die Selbstbau-De­co­der wurden aber weiterhin mit dem Code für den AT90 ausge­liefert. Da der Brown-Out-Schutz nicht im Code verankert war, sondern über Fuses ak­ti­viert wird, konnte auch das Layout des Selbstbau-De­co­ders vereinfacht werden. Der TL7705 als Spannungswächter konnte entfallen.
Seit 2016 hat die Firma Darisus den Vertrieb des WDecD-TN eingestellt. Damit kann ich den Binärcode für diesen Decoder für die Selbstbau-De­co­der frei verwenden. Weiter unten stelle ich den Code zum Download zur Verfügung. Mit diesem Code kann der Quarz entfallen und wird der interne Brown-Out Schutz aktiviert. Die korrekte Einstellung der Fuses dazu finden Sie eben­falls in der Tabelle.

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Frequently Asked Questions

Frage: Ich habe noch AT90S2313 (oder ATTiny2313) liegen. Können diese noch für den WDecD-90 oder für den WDecM-90 gebraucht werden?

Antwort: Ja, sprechen Sie mich bitte an! Ich programmiere auch Ihre AT90S2313 oder ATTiny2313 mit dem Code für die Decoder.

Frage: Was ist der Unterschied zwischen dem selbstlernenden DCC Decoder WDecD-90 und dem NMRA kompatiblen Decoder WDecN-90 oder WDecN-TN, der auch in diesem Blog beschrieben wird? Beide sind doch DCC Decoder.

Antwort: Der einfache Weichendecoder WDecD-90 bzw. WDecD-TN versteht aus der gesamten Menge von Befehlen, die von der NMRA standardisiert wurde, gerade mal einen Befehl, nämlich den Weichen­befehl (und auch nur das Ein­schal­ten der Ausgänge). Der Decoder kennt keine CV und lässt sich nur über einen Taster programmieren. Der NMRA kompatible Decoder dagegen beherrscht alle von der NMRA definierten Befehle und wird vorschriftsmäßig über CV pro­gram­miert.

Frage: Ich arbeite an einem ähnlichen Projekt. Kann ich den Quellcode für den Decoder einsehen?

Antwort: Nein, der Quellcode wurde nie veröffentlicht und bleibt weiter unter Verschluss.

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Beispiele von Selbstbau-Decodern

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Hier sind einige Beispiele von Nach­bau­ten von Hobby-Kollegen. Als Erstes ein Bild des Nachbaus von Jörg Leuschke, der gleich 4 Exemplare auf einer Loch­ras­ter­pla­tine aufbaute.

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Fertige Decoder WDecD-TN und WDecM-TN

Von Mitte Mai 2005 bis Ende 2016 wurden die Decoder als Fertig­modell bei der Firma Darisus GmbH gefertigt und vertrieben. Die De­co­der basierten hard- und software-tech­nisch auf den oben be­schrie­be­nen De­co­der, aber hatten eine überarbeitete Hard­wa­re, die es erlaubte auch die Variante WDecN-TN auf derselben Platine auf­zu­bau­en. Anstelle eines 10 MHz Quarzes wurde der interne 8 MHz RC-Oszillator des ATTiny2313 verwendet. Der Funk­tions­um­fang der WDecD-TN und WDecM-TN war mit dem der Selbst­bau­varianten WDecD-90 bzw. WDecM-90 identisch.
Diese Decoder können Sie heute nur noch selbst bauen und die dazu pas­sen­den neuen Atmel ATTiny2313A Prozessoren mit dem veröffentlichten Code selbst programmieren.

Nach wie vor programmiere ich auch die Bausteine für Sie, falls Sie nicht über die er­for­der­li­chen Kennt­nisse oder ent­sprech­ender Hardware-Ausstattung verfügen.

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Nachbau des WDecD-TN

Ein aktueller Nachbau ist der Decoder von Jens Nielsen:

Dieser Decoder ist nicht nur auf der privaten Modellbahn von Jens Nielsen im Einsatz, sondern auch auf der Anlage des 1. Rudolstädter Modellbahnclub e. V. Jens stellt dazu seine „Target“ Layout Datei sowie auch die .stl 3D Dateien zum Drucken eines passenden Gehäuses be­reit. Die erforderlichen Dateien finden Sie als .zip File in der Download-Tabelle. Beachten Sie, dass das Gehäuse und das Target File zusammen­gehören. Andere Decoder-Layouts passen nicht zum Gehäuse!

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Mein aktuelles Layout:

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© 2003 – 2023 Gerard Clemens –  Letzer Update 30.07.2023

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