WLAN Rückmelder im C-Gleis

Bislang beruhten meine Ent­wick­lungen für Belegt­melder immer auf dasselbe alt­herge­­brachte Kon­­­zept: Stromsensor auf der Ba­sis von anti­pa­ral­lelen Silizium-Gleich­richter-Dio­den mit Bypass Wi­der­­stand, Tran­sis­tor als Komparator (Bau­stein, der Span­nun­gen ver­gleicht) und Optokoppler zur Tren­­­­nung von Gleis­span­nung und Ver­sor­gungs­span­nung der Elektronik (RM-BUS, CAN, S88, o.ä.).
Bei den herkömmlichen Belegt­mel­dern wurde ein Modul mit 4, 8 oder 16 Strom­sensoren unter der Anlagen­platte ver­baut, mit den Gleisen ver­drah­tet und über Bus mit der Zen­trale oder dem PC ver­bun­den. Im neu­en Konzept soll der Be­legt­melder mit dem C-Gleis zu einer Ein­heit wer­den. Die Belegt­meldungen sollen über WLAN die Zen­trale­ oder den PC er­reichen. So wird das C-Gleis zu einem flexibel verwendbaren Bau­ele­ment für Tisch- und Tep­pich­bah­ner, die auch ihre provisorisch auf­gebaute Anlage auto­mati­sieren wol­len. Es kommt das Roco / Fleischmann Z21 Ethernet Proto­koll zur An­wendung.
Die Umstellung auf WLAN und der Wunsch, keine weiteren Versor­gungs­lei­tun­gen durch die Anlage zu ziehen, führ­ten dazu, dass die digitale Gleis­span­nung zur Versorgung der elek­tro­nisch­en Kom­po­nenten verwendet wur­de.
Es gibt aber wohl kaum Spannungs­­wand­­ler, die klein genug für den Ein­bau in die Bettung des C-Gleises sind und eine isolierte Aus­gangsspannung von 3,3 V für den verwen­deten WLAN Baustein ESP12-E liefern. Der ESP12-E ist eine sehr kompakte SMD Bauart des be­kann­ten Espressif ESP8266 Pro­zessors. Durch diese nicht-isolierte Strom­ver­sorgung haben nun der ESP12-E und das Gleis eine elek­trische Ver­bin­dung. Die Ver­wendung eines Opto­kopplers ist da­mit sinn­los ge­wor­den. Außerdem führt bereits das auf­gebaute WLAN von sich aus zu einer gal­va­ni­schen Trennung von Gleis­span­nung und nach­fol­gen­dem PC oder Tablet.
Die nächste Frage, die sich zwangs­läufig stellte, war die nach dem Kom­pa­ra­tor. Um aber für 2 Belegt­melder je die obere (belegt) und die untere (frei) Spannung zu verglei­chen wären schon 4 Kompa­ra­toren mit zusätz­li­chen Bau­teilen not­wen­dig gewesen. Hat nicht der ESP8266, bzw. in unser­em Fall der ESP12-E, auch einen ana­logen Eingang, mit dem man Span­nun­gen im Bereich der Dio­den­durch­lass­spannung von 0 – 700 mV (Silizium Dioden) oder 0 – 500 mV (Schottkydioden) messen kann? Richtig, aber leider sind es nicht 8, 4 oder 2 Ein­gänge, sondern ist es nur einer. Der müss­te aber dann gemein­sam, reihum, von allen Sen­sor­ka­nä­len ver­wen­det werden.

Multiplexer

Der C-Mos Baustein CD4051 macht genau das. Er verfügt über 8 elek­tro­nische „Schal­ter“ mit einem gemeinsamen Pol. Welcher von den 8 Schaltern das Mess­sig­nal zum ESP12-E leitet, wird über 3 Binäreingänge ent­­schie­den. Der CD4051 wird genau­so mit 3,3 V gespeist wie der ESP12-E. Er ist klein und erfordert keine Be­schal­tung mit ex­ternen Kompo­nen­ten. Dass wir mit diesem Konzept nur positive Span­nun­gen U messen, ist aber noch ein Nach­teil. Im alten Kon­zept wurden zwar auch nur die posi­tiven Halbwellen gemessen, das aber kontinuierlich. Die Mes­sung im neu­em Konzept erfolgt zyklisch in der Hauptschleife des ESP12-E Pro­gramms. Es erfordert immer 2 Schritte, zuerst die Aus­wahl des Kanals über den Multi­plexer, und anschließend die eigentliche Messung und Aus­wertung.
Vom alten Konzept sind also nur die anti­parallelen Dioden mit By­pass Wi­der­stand, der ESP8266 als Kompa­ra­tor und das WLAN als Schnittstelle zur Zen­tra­le oder PC ge­blie­ben. Da der ESP12-E ein sehr leistungsstarker Mi­kro­pro­zessor ist, sind wir in der Lage, das Protokoll für diese Verbin­dung frei zu wählen.

Messverfahren

Die Messung des Span­nungs­ab­falls U über die Dioden ist nur rele­vant, wenn die Span­­nung über die Dioden positiv ist. Da die digi­tale Gleis­spannung eine Wechsel­span­nung ist, kann nur wäh­rend der positiven Halbwellen, also quasi nur die halbe Zeit sinn­voll gemes­sen werden. Um im­mer korrekt zu messen, müsste da­her theo­re­tisch der Multi­plexer mit den Flan­ken der DCC Span­nung synchronisiert wer­­den. Mit einem Trick kann man sich aber die dafür notwendige Hard- und Software spa­ren.
Mit einem Spannungsteiler wird der ana­loge Eingang des ESP12-E auf ca. 512 (mV) gelegt. Das ist der halbe Ein­gangs­bereich (0 – 1023). Die 3,3 V Versor­gungs­­span­nung geht über einen 220 kOhm Wider­stand an den ADC-Eingang und vom ADC-Eingang geht ein 39 kOhm Wider­stand auf den Pin 3, den Ausgang des Multiplexers CD4051.

Mit dem analogen Eingang des ESP12-E wird aktuell die Span­nung U so oft wie mög­lich ge­messen. Bei jedem neu­­en Durchlauf wird der Multi­plex­er-Index um 1 er­höht. Spä­tes­tens nach 2 (oder 4, oder 8) Zyklen wird wieder der Ka­nal 1 mit dem ana­lo­gen Eingang des ESP verbunden. Kurz nach dem Einschalten eines Multi­plex­er Ka­nals wird mit einer kleinen Zeit­­ver­zö­ge­rung gemessen. Ist das Er­geb­nis höher als der Schwell­wert für „belegt“, dann bedeutet das:

1. Die Messung fand statt als die DCC Spannung positiv war und
2. der Abschnitt ist auf jeden Fall be­legt.

Es wird vom ESP sofort ein Tele­gramm „besetzt“ abgesetzt.
Ist das Messergebnis kleiner als ein zwei­ter Schwellwert für „frei“, dann bedeutet das:

1. die DCC Spannung war kurz weg (Mikro-Kurzschluss) oder
2. der Abschnitt ist frei oder
3. es gibt ein Kontaktproblem zwischen Rad und Schiene oder zwischen Schleifer und PuKos

Wiederholt sich diese Messung mehr­mals mit dem gleichen Ergeb­nis, kann nach n Mes­sun­gen davon aus­ge­gangen werden, dass der Abschnitt tat­säch­lich frei ist. Dann wird das Te­le­gramm „frei“ abge­setzt.
Wenn vor Ablauf der n Messungen wie­der eine positive Messung ge­­macht wird, wird der Zähler gelöscht (n = 0). Falls zu­letzt „belegt“ gemeldet wurde, bleibt die­se Meldung gültig. Erreicht der Zähler den Wert n, dann wird nur ein „frei“ Tele­gramm abge­setzt, wenn vorher „belegt“ war.
So wird der Datenverkehr im WLAN auf die relevanten Meldungen redu­ziert. M. a. W. es wer­den nur die Än­de­run­gen ge­mel­det.
Die „frei“ Meldung wird um n Mes­sun­gen verzögert. Das hat fol­gen­de Vor­teile:

1. Dreckige Gleise führen weniger schnell zum Freimelden
2. Mikro-Kurzschlüsse werden ignoriert
3. Abschalten der digitalen Gleis­span­nung führt nicht zum Frei­melden (die Versorgungs­span­nung ist vor Ablauf der 20 „frei-Mes­sun­gen“ weg.
4. Der Belegtmelder „glüht“ etwas nach, ein Feature, das man z.B. in der Z21 App und bei Modell­bahn­steuer­pro­gram­men einstellen muss.

Je nach Anzahl der RM-Kanäle, muss der Parameter n für die auf­ein­ander­folgende Anzahl von Messungen mit negativem Ergebnis angepasst wer­den. Die Schwell­werte für „frei“ und „belegt“ werden von der gewünsch­ten Empfindlichkeit be­stimmt. Die Vor­ein­stel­lung reicht für eine Be­legt­meldung mit dem „feuchten Fin­ger“. Der hier verwendete ESP12-E hat einen Analogeingang mit einem Ein­gangsbereich von 0 – 1 V.

Für die Variante 2-Kanal embedded Rückmeldemodul zum Einbau in das C-Gleis RMEM2xI reduziert dieses Konzept die Anzahl der Bauteile be­trächtlich. Es werden nur noch 19 Bau­teile be­nö­tigt!

Loop() braucht im aktuellen Sketch et­was mehr als 1 ms. Alle De­bug Aus­ga­ben sind dabei eingeschaltet. Das er­laubt das Umschalten des Mul­ti­plex­ers alle 2,048 ms und das Messen über den ADC in einem Zeitrahmen von 1 – 768 µs nach der Umschaltung.
Für die Geschwindigkeit des 2-fach-Rück­mel­de­mo­duls bedeutet das:

1. „Belegt“ Meldung im schlechtesten Fall nach 5 ms +- Streuung durch fehlende Syn­chro­ni­sie­rung mit dem DCC Signal. Op­ti­scher Eindruck „sofort“.
2. „Frei“ Meldung nach spätestens 80 ms. (n = 20).

Programmierung

Das RM Modul meldet sich mit dem „LAN_CAN_DETECTOR“ Tele­gramm aus der Roco Pro­to­koll Spezifikation. Es ver­wendet dabei die Adressen kanal­be­zo­gen (1 – 2048). Für die Ver­gabe dieser Adres­sen gibt es folgende Möglich­kei­ten:

1. Angabe der gewünschte Adresse im Quellcode (nur für In­si­der im Besitz des Quellcode).
2. Definition der Adresse über das Rocrail Z21 Menü im Programm Rocrail unter Roc­rail Eigen­schaf­ten. Setzt voraus, dass bei der Program­mierung nur ein Modul online ist.
3. Programmierung über CV ist mit dem Programm Rocrail mög­lich und ge­tes­tet. Betriebsart POM für Acces­so­ry Decoder. Als Adresse dient die NID des Sensormoduls (NID = eindeutige Netz­werk Identifikation). Stand April 2020.
4. Programmierung über Web­brow­ser. Wurde noch im Oktober 2019 reali­siert, erlaubt im Moment aber nur die Angabe von Adresse und Sensor­grup­pe.
5. Programmierung mittels App und dem UDP Telegramm POM_ACC_CV. Als Adresse für die POM Program­mie­rung wird die NID des Moduls verwendet – Die App wurde noch nicht rea­lisiert. Die Funktionalität wird vorerst durch das Web-Interface und der Rocrail POM Schnittstelle für die Z21 abgedeckt.

Varianten

Achtung: Bei der Verwendung des USB Ports eines ESP-Boards oder wie hier des USB-Ports des FTDI232 Wand­lers, wird die Masse vom PC mit der Gleis­spannung verbunden. Da der PC geerdet ist und die Gleis­span­nung meistens auch Bezug auf Masse hat, führt das un­wei­gerlich zu Problemen oder zu Beschädi­gung der Hardware! Verwenden sie einen isolierten USB Adapter oder einen iso­lier­ten PC.

Die Varianten für die 2, 4 und 8 Kanäle verwenden im Prinzip den­selben Quell­code. Die An­zahl der Kanäle wird über „#define FB_PER_MODULE 2 „ (uiNrCh) definiert und der Sketch danach neu kompiliert. Dass für jede Variante eine andere Zahl für Parameter n (Anzahl der auf­ein­an­der­fol­gen­den „frei“-Messungen) verwendet wer­den muss, ist klar. Z.Zt. ist nur n=20 für die 2-Fach Variante de­finiert.
Auf dem Steckbrett wurden zur Probe die Variante mit dem Wemos D1 Mini und eine Vari­an­te mit ESP-12E und FTDI-FT232 zum Pro­gram­mieren und De­bug­gen aufgebaut. Damit man das noch mal nach­bauen kann, habe ich sie mit fritzing © dokumentiert. Mit dem Versuch ist auch belegt, dass 22 kOhm als Last für eine Belegt­mel­dung ausreichend sind. Die Schwell­werte für beide Varianten un­ter­­schei­den sich. Beim ESP12-E wurde die 120 als unteren Wert für die Belegt­meldung und 80 als oberen Wert für die Frei­mel­­dung verwendet. Der zur Verfü­gung gestellte binäre Programmcode enthält die Werte für den ESP12-E.

Auch für Gleichspannung?

Theoretisch kann das Modul RMEM2xI auch für kon­ven­tio­nel­le, also Gleich- oder Wechsel­strom­­bahn­en benutzt wer­den. Das Pro­blem da­bei ist, dass im Stand oder bei sehr langsamer Fahrt der ana­logen Fahr­zeuge keine Gleisspannung mehr da ist und die Rück­meldebausteine nicht ver­sorgt werden. Das könnte man durch Überlagerung der Gleis­span­nung mit einem niederfrequenten Sig­nal, wie z.B. aus einem (ausge­dien­ten) EMS Fahrpult verhin­dern. Damit stünde am Gleis im­mer Spannung an und die Rückmelder wären zu jeder Zeit betriebsbereit und würden auch stehende Triebfahrzeuge und „feuch­te Finger“ jederzeit melden.
Nun liegen die Bereiche, in denen „be­legt“ gemessen wird, zwi­schen 0 und 380 und zwischen 620 und 1024. Liegt der analoge Mess­wert zwischen 420 und 580 dann meldet sich der Sensor (nach n Leermessungen) als nicht belegt.

Die erste Bewährungsprobe be­stan­den die RMEM2xI Rück­mel­de­mo­du­le auf der Modellbahn­austellung im Lok­schup­pen Hochdahl, wo sie gegen Roc­o 10808 Rückmelder antreten mussten.

Betrieb der Rückmelder

Z21 Emulation

Die im C-Gleis eingebauten Rück­mel­der brauchen für den Betrieb mit einer Mo­dell­bahn­­soft­­ware noch ein Z21 Gate­way. Das Gateway ist ein Wemos D1 Mini oder ein NodeMCU WLAN Ent­wick­lungs­mo­dul. Es wird über USB Port mit Spannung versorgt und die Firm­ware für das Z21 Gate­way (siehe unten) wird aufge­spielt. Das Gate­way stellt ein WLAN zur Ver­fü­gung, an das sich bis zu 8 ein­ge­bau­te Rückmelder anmel­den. Es leitet die Rück­mel­dun­gen aus dem C-Gleis an den PC weiter und emu­liert im PC eine (weitere) Z21 Zen­trale. Die Konfiguration des Z21 Gateways ist hier beschrieben.

Direktbetrieb an CS2

Diese Variante kommt ohne Gateway aus und verwendet das Mär­klin CAN-Bus Protokoll über Ethernet. Die Rück­mel­dun­gen werden direkt im Gleisbild-Display der CS2 angezeigt. Die Weiter­gabe der Rück­mel­de­infor­mation an ein Mo­dell­bahn­steuer­pro­gramm ist über die Funk­tion „Broad­cast“ in der CS2 bereits von Märklin rea­lisiert und wurde mit den Pro­gram­men Rocrail, iTrain und Wdp ge­prüft. Die Software für das RMEM2xI WLAN Rück­mel­de­modul für die CS2 steht hier zum Download bereit.

Nachbau

Nachtrag:

Für das Z21 EtherNet Protokoll gibt es mittlerweile eine „NextGen“ Ausführung der Firmware. Die Hardware wird unverändert weiter verwendet. Die Besonderheiten dieser Variante sind:

• Wegfall der 8-Limitierung des Gateways
• Einfachere Konfiguration des Netzwerkes
• Sehr ausführliche Konfiguration von Parametern über Web-Interface
• Gleiches Aussehen der Web-Oberfläche auf Handy und Desktop-PC
• Wegfall der APXXXX WLAN Netze der Sensormodule und des Gateways („Mediators“)
• Mehr Information, auch ohne „Serial Monitor“
• OTA Firmware Transfer für eventuelle Updates

Die NextGen Varianten der Sensor- (und Aktor-) Module sind in diesem Blog beschrieben.

Letzter Update: 13.5.2021