OpenDCC GBM16: Gleisbesetztmelder / BiDi-Belegtmelder

Einleitung

    Dieses Projekt umfaßt einen 16/64-fach Gleisbesetztmelder (Belegtmelder) mit integrierter BiDi-Fähigkeit. Der Besetztmelder bietet neben einem Stromsensor mit Flackerschutz auch die Auswertung der Railcom®-Information auf allen (!) Kanälen. Das ermöglicht die Erkennung von Loks (auch die Unterscheidung mehrerer Loks in einem Abschnitt) samt ihrer Aufgleisrichtung. Die bisherigen Einschränkungen bei der Kombination von Besetztmeldung und Railcom®-Detektor entfallen damit. Die hohe integrierte Rechenleistung und die vielfältigen Schnittstellen ermöglichen es, das Potential von BiDi auszuloten. Zur Erkennung von BiDi wird ein vollkommen neuer, auf Systemtheorie und digitaler Signalverarbeitung basierender Ansatz verwendet.

    PC und DCC-Zentrale profitieren gleichermaßen davon: Der PC erhält genaue Informationen darüber, wo sich eine Lok befindet, die Zentrale erfährt, welche Lok die Fahrbefehle bereits quittiert und kann ihre Optimierung des Gleissignales daran ausrichten. Und bei Dekodern, welche die die echte Geschwindigkeit rückmelden, kann dann auch die Zeit-Weg-Simulation im PC genauer werden. Neue Loks können gleichermaßen in der Zentrale und im PC automatisch angemeldet werden: "Neue Lok gefunden, jetzt fahren?"

    Der Nutzen Warum braucht man das? Eigentlich weiß das Steuerungsprogramm ja durch seine Zugverfolgung, wo ein Zug ist und die Aufgleisrichtung sieht man doch. Wozu also BiDi und Richtungserkennung?
    Hierzu ein Beispiel aus der Praxis: Vereinsanlage, Modellbahnausstellung, alles läuft soweit, auf der Anlage stehen 60 Garnituren. Jetzt stürzt das PC-Programm ab (oder es kommt so ein Dödel auf den Netzschalter des PCs, alles schon gehabt) - plopp, der Watchdog zieht die Anlage, alles steht. Also PC wieder hochfahren, aber die momentane Zuordnung Zug <-> Gleis ist verloren. Also krabbelt jemand in den Schattenbahnhöfen rum, guckt und gibt telefonisch die Züge durch. Bei Zügen, bei denen man die Aufgleisrichtung nicht erkennen kann, ist zudem kurzes Anfahren erforderlich, um zu wissen, wie rum die Garnitur auf dem Gleis steht. Das kann BiDi ersparen, aber es muß ein BiDi mit Richtungserkennung sein, sonst ist man wieder unter der Anlage.
    Darüber hinaus sind mittlerweile viele neue Möglichkeiten hinzugekommen, u.a.:
    • Um Faktor 10 bis 20 (!) schnelleres Programmieren von Dekodern überall (!) auf der Anlage. Kein Programmiergleis mehr.
    • Automatisches Erkennen von Gleisverschmutzung oder verschmutzten Rädern


    Die Kosten? Das Tolle an diesem Ansatz ist: Railcom bekommt man quasi zum Nulltarif. Durchgehend Belegtmelder braucht man bei PC-gestützem Fahren sowieso (die Belegtmelder sind die 'Augen' des PC-Programmes) und bedingt durch die intelligente Software ist neben den für die Belegtmeldung erforderlichen Antiparallen Dioden und den Sensewiderstand keine weitere Hardware erforderlich.

Eigenschaften

  • 16 Meldereingänge, mit je max. 3A Dauerstrom belastbar, kurzzeitig bis 4A.
  • BiDi-Rückmeldung und Gleisbelegtmeldung integriert in einem Baustein, extrem geringer Spannungsabfall von nur 0,3V auf der Gleiszuleitung, also keine Geschwindigkeitsverluste durch den Belegtmelder.
  • Kein Netzteil erforderlich (Versorgung vom Gleisstrom, geringer Eigenstromverbrauch)
  • Lokale Anzeige der aktuellen Belegung und ob BiDi-Datenverkehr auf dem jeweiligen Kanal stattfindet mittels integrierter LEDs
  • Anzeige des aktuellen Zustands (Power, Verbindung, Nachricht) mit LEDs
  • Einstellbares Memory (Haltezeit) der Belegtmeldung
  • Permanentes Memory ('Einfrieren') der Belegung bei Abschaltung der Zentrale
  • Melden eines Boosterausfalls
  • Bis zu vier Dekoder auf einem Meldeabaschnitt werden gemeldet.
  • Rückmeldeadresse einstellbar bzw. bei Verwendung von BiDiB automatische Erkennung.
  • Konfigurierbar per BiDiB®, DCC oder per USB.
  • Optional: Integrierte intelligente Kehrschleife über Sensorgleise
  • Integrierte Optokoppler, Gleis komplett von Zentrale oder PC getrennt.
  • Anschluß an PC über USB, an Zentrale über BiDiBus, Xpressnet oder S88-N; gleichzeitiger Anschluß von PC und Zentrale möglich.
  • Firmware-Update über USB
  • Belegtmeldung:
    • Separate Strommessung auf jedem Gleiseingang, besonders schnelles Erfassung durch paralleles Messen.
    • Einstellbare Empfindlichkeit der Belegungsmeldung
    • Hohe Empfindlichkeit, ausreichend auch für Widerstandsachsen
    • Flackerschutz durch intelligente Filterung der Strommessung
    • Bei Einsatz eines zusätzlichen Netzteils Möglichkeit zur Belegtmessung auch ohne Zentrale (Ersatzspeisung)
  • Bidi (Railcom®):
    • Intelligente BiDi-Auswertung auf allen 16 Kanälen mittels lokaler Detektoren, davon immer mehrere Kanäle parallel und gleichzeitig. Damit wird sowohl Zugerkennung (CH1-Nachrichten und CH2-Nachrichten) auf neu belegten Abschnitten als auch die Auswertung mehrerer bereits belegter Abschnitte parallel möglich.
    • Intelligenter Algorithmus für die Zuordnung der lokalen Detektoren - nahezu 100%ige Erfassung der BiDi-Antworten.
    • Integrierte Richtungserkennung für jede railcom-Lok, auch bei mehreren Loks auf einem Gleisabschnitt
    • Spezielle Biterkennung mit Filtern und Augenmustererkennung, auch stark gestörte Nachrichten werden erkannt.
    • Gleichzeitige Erkennung und Meldung mehrerer Loks auf einem Abschnitt inkl. Richtung und Adresse
  • Grundeinheit GBM16T und GBM16C für 16 Meldeeingänge (gemeinsames Potential), erweiterbar bis zu 64 Eingänge mit bis zu 3 Zusatzbaugruppen (jeweils 16 Eingänge gemeinsamees Potential, Zusatzbaugruppen jeweils potentialgetrennt).
  • Boards via BiDiB nahezu beliebig koppelbar zu einem großen, schnellen Rückmeldesystem.
  • Maße:
    16-fach Belegtmelder mit Interface:80 x 100mm
    16-fach Belegtmeldererweiterung (GBM16T):
    (max. 3 Erweiterungen anschließbar)    		52 x 100mm

Aufbau

    Der GBM besteht aus zwei Baugruppen - eine Gleiserfassungsbaugruppe (GBM16T, T='trackproc') und eine Kontrollbaugruppe (GBM16C, C='controlproc'). Beide Baugruppen sind fest verbunden, könnten aber auch getrennt und mittels 6-poligem Kabel verbunden werden. Die Kontrollbaugruppe kann bis zu drei zusätzliche (also insgesamt vier) Gleisbaugruppen ansteuern. Die zusätzlichen Gleisbaugruppen werden mittels 6-poligem, aufgesteckten Kabel verbunden.

    Die Gleisbaugruppe wird vom DCC Signal versorgt und übernimmt die Belegtüberwachung (mittels Strommessung) sowie die BiDi-Auswertung. Die Kontrollbaugruppe kommuniziert mit dem PC und parallel mit der Zentrale. Beide Baugruppen kommunizieren über schnelle Datenkoppler miteinander.

Anschlüsse

  • DCC Eingang vom Booster
  • DCC Ausgang zu den Gleisen, wobei wahlweise der Gleisanschluß einpolig oder zweipolig (empfohlen) über den Rückmelder geführt wird. Ein separater Verteiler ist nicht notwendig. Anschlüsse sind alternativ steckbar oder mit Schraubklemmen möglich. (System RIAcon 3.5)
  • Zusätzliche Stromversorgung über Mini-USB-B (optional, potentialgetrennt (!)) oder Schraubklemmen. Wichtig: hier muß eine isolierte Spannung angelegt werden, es darf weder eine geerdete Spannung noch die Versorgungsspannung der Zentrale verwendet werden.
  • Xpressnet mit RJ12, Buchse ist doppelt ausgeführt für leichte Systemintegration
  • RJ45, für BiDiBus (doppelte Buchse für einfache Verdrahtung) oder als Bestückungsalternative für S88-N, Eingang und Ausgang
  • USB, über virtuellen COM-Port für direkte Rückmeldung an PC. Dabei können verschiedene Protokollarten emuliert werden.

Anzeigen

    Der GBM16T (Trackproc) verfügt über 16 + 4 LED-Anzeigen, mit diesen Anzeigen werden interne Zustände angezeigt:
  • LED POWER:
    Diese LED leuchtet im Normalzustand mit normaler Helligkeit (50%), immer wenn eine Nachricht an den Controlproc übertragen wird (z.B. bei einer Zustandänderung) wird die Helligkeit für kurze Zeit erhöht.
  • LED DCC:
    Wenn kein DCC-Signal anliegt, dann blinkt die LED hektisch. Wenn ein DCC Signal erkannt wird, dann leuchtet die LED mit verminderter Helligkeit (50%).
  • LED PROG:
    Wenn der GBM im Programmiermode ist, dann wird der jeweilige Mode hier angezeigt.
  • LED BIDI:
    Wenn das Eingangssignal eine Austastlücke enthält, dann leuchtet die LED schwach. Wenn eine Rückmeldung von Gleis neu erkannt wird, blitzt die LED kurz auf.


    • Der Controlproc verfügt über 4 LED-Anzeigen, mit diesen Anzeigen werden interne Zustände angezeigt:
  • LED POWER:
    Diese LED leuchtet im Normalzustand mit verminderter Helligkeit (50%), bei Fehlerzuständen erscheint ein Blinkcode.
  • LED XP:
    Wenn kein XP angeschlossen ist, dann bleibt diese LED aus. Wenn XP angeschlossen und verbunden ist, dann leuchtet die LED mit normaler Helligkeit (50%), bei Fehlerzuständen erscheint ein Blinkcode.
  • LED S88:
    Wenn kein S88 angeschlossen ist, dann bleibt diese LED aus. Wenn S88 angeschlossen und verbunden ist, dann leuchtet die LED mit normaler Helligkeit (50%), bei Fehlerzuständen erscheint ein Blinkcode.
  • LED MSG:
    Wenn der GBM aktiv eine Belegtnachricht absendet, dann blitzt diese LED kurz auf.

Anwendung

    Der GBM kann sowohl reine Belegtmeldung erzeugen als auch erweiterte Meldungen wie z.B. Adresse, CV oder Istgeschwindigkeit übermitteln. Je nach Verbindung und emulierten Protokoll gibt es dabei verschiedene Dinge zu beachten.

Belegtmeldung:

    Zur Übermittlung der Belegtmeldung stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
  • Übergabe an den S88 Bus:
    S88 ist eine einfaches serielles Schieberegister ohne Adressierungsmöglichkeit. Die Adresse eines Rückmelders ergibt sich einfach aus seiner Position innerhalb der Kette.
    Der GBM16C wird an der gewünschten Stelle in die Rückmelderkette des S88-Busses eingefügt und belegt an dieser Stelle eine bestimmte Anzahl an Melderplätzen. Der GBM16C prüft nach dem Einschalten die Anzahl der angeschlossenen Gleiserfassungsbaugruppen GBM16T. Für jedes erkanntes GBM16T werden 16 S88-Melderbits erzeugt. Diese werden in der Reihenfolge, in der sie erkannt werden, in den S88 Datenstrom eingefügt. Wenn an einer Schnittstelle kein GBM16T angeschlossen ist, dann werden dafür auch keine S88-Melderbits erzeugt.
      Beispiel: An einem GBM16C sind zwei GBM16T auf Anschluß 0 (das ist der fest verbundene) und auf 2 angesteckt: belegt werden 32 S88-Bits, die ersten 16 Bits für den GBM16T auf Anschluß 0, die zweiten 16 Bits für den GBM16T auf Anschluß 2. Der GBM16C belegt also 32 Melderplätze.
  • Übergabe an den Xpressnet Bus:
    Die BiDi-Meldungen und Belegtmeldungen könnten auch über den Xpressnet-Bus abgesendet werden. Hierzu wurden neue, effektive Befehle verwendet, diese funktionieren allerdings nur zusammen mit einer OpenDCC-Zentrale, eine andere Xpressnet-Zentrale wird diese Kommandos nicht verstehen.

    Die Adresszuordnung der Rückmelder erfolgt hier über die im jeweiligen GBM16T gespeicherte Rückmelderadresse. Das hat den Vorteil, dass die Adresse frei wählbar ist und auch bei einer Änderung oder Erweiterung des Rückmeldersystems erhalten bleibt. Die Adresse ist auch nicht abhängig von der jeweiligen Verdrahtung oder Busadresse am Xpressnet. Nachteilig ist, das man die Adresszuordnung selbst vornehmen muß (und dabei Fehler machen kann).

    Nachtrag 2015: die Übertragung von railcom-Meldungen über Xpressnet stößt an Grenzen, was Bandbreite, Erweiterbarkeit von Xpressnet (das wäre dann kein 'offizielles' Xpressnet™ mehr) und neue Funktionen von railcom angeht. Das ist für einen Einsatz mit mehreren Railcom-Meldern nicht geeignet. Daher wurde diese Entwicklungsrichtung zugunsten von BiDiB eingestellt.
  • Übergabe an BiDiB:
    Ab Platinenversion 1.3 wurde die s88-Schnittstelle durch eine BiDiB-Schnittstelle ersetzt. Dabei werden Belegtmeldung, Adressmeldung, Gleisverschmutzung, Istgeschwindigkeit, CV-Lese-Daten mit einem 500kBaud schnellen und sicheren Protokoll übertragen.

Zukunft

    Diese Baugruppe war der erste Vertreter dieser Serie. Im Zuge einer Weiterentwicklung dieser Platine wurde dann auch noch ein Boosterchip integriert und der GBMBoost entstand. Ein weiteres Weiterentwicklung ist die Baugruppe GBM16TS, welche 16 Melder mit direktem BiDiB®-Anschluß realisiert.