Das Timing an S88-Bus

Ausgangssituation

Leider gibt es keine offizielle Spezifikation für den S88-Bus, daher versuche ich hier, anhand der bisher gebräuchlichen Chips und der Verdrahtungssituation eine sinnvolle Spezifikation zu geben. Ziel ist eine weitgehende Kompatibilität der Module zu erreichen. Leider sträuben sich manche Firmen (wie z.B. ESU) Details bekannt zu geben, man ist also auf Messungen an Einzelexemplaren angewiesen.
• Analyse:
  Im Orginalinterface sind HEF4014 verbaut, diese haben (bei 5V) eine t_setup bis zu 35ns und eine t_hold bis 30ns. Die Durchlaufzeit t_pd beträgt 260ns. (Quelle: 4014-Datenblatt von Philips)
  
  Es sind Leitungen angeschlossen, diese bringen sowohl Laufzeit als auch Kapazitätsbelag mit: übliche Kabel haben ca. t_pd von 6,6ns/m, was bei einer angenommenen Maximallänge von 30m in Summe 200ns ergibt. Der Kapazitätbelag wirkt zusammen mit einem Ausgangswiderstand als Tiefpass, z.B. verursachen 44pF/m bei einem Quellwiderstand von 250 Ohm eine t_rc von 11ns/m.
  
  Das Steuertiming aller bekannten Zentralen (IB, HSI88, M*) arbeitet mit extrem langsamer Bitsteuerung per Software, die jeweiligen Signalwechsel werden nach einigen 10µs vorgenommen.

  Clockraten bisheriger Interfaces
  Zentrale	t(high_min)	t(low_min)	Comment
  Tams	100µs	100µs	wenig Jitter, Scan alle 4,9ms
  Littfinski HSI88	150µs	150µs	wenig Jitter
  Intellibox	30µs	25µs	starker Jitter, im Mittel etwa 70µs
  OpenDCC	20µs	20µs	Jitter, Timing per CV einstellbar
  ECoS	25µs	25µs	inoffzielle, nicht kontrollierte Angabe. ESU hat eine entsprechende Auskunft mit 'kopierschutzrechtlichen Gründen' (hört, hört) verweigert - offenbar wissen sie es einfach selbst nicht genau.

  Darauf haben sich auch einige Implemenierungen eingestellt - der S88 wird oft über einen Microcontroller realisiert und je nach Anbieter sind die entsprechenden Routinen unterschiedlich schnell. (Blücher scheint mind. 140µs Zykluszeit zu fordern, railway-lauf.de mind. 200µs).
• Problemfälle:
  • Mischung von verschiedenen S88-Bausteinen:
    Kombiniert man aktuelle, schnelle Bausteine mit langsamen 4014 Chips, so kann es zu Verletzungen der t_hold kommen.
  • Impedanzfehler:
    Die S88-Leitungen laufen *ziemlich* fehlangepasst, es kann zu Reflexionen und in Folge zu Doppeltaktungen bzw. falsch gelesenen Daten kommen.

Normiertes Timing

Die Daten werden bei S88 mit steigender Flanke übernommen. Nach der Verzögerungszeit t(pd) des Moduls werden die übernommenen Daten am Ausgang sichtbar.

Kombiniert man nun eine sehr schnelle Quelle (welche ihren Ausgang ganz kurz nach der Clock-Flanke ändert) mit einem langsamen Empfänger, welcher eine große t(hold) braucht, dann kann es Timingfehler geben.
Um dies sicher zu verhindern, werden bei s88-N Werte für t_setup, t_hold und t_pd vorgegeben, damit die folgenden zwei Bedingungen für eine einwandfreie Übertragung sicher eingehalten werden:

    1. t_pd > t_hold
    2. t_pd + t_setup < t_cycle

Die Bedingung 1 kann man z.B. dadurch sicherstellen, dass man den Ausgang erst mit der negativen Flanke schaltet.

Timing:
• Am Eingang eines Moduls:
  t_setup < 50ns, t_hold < 50ns, jeweils bezogen auf die steigende Clockflanke; durch das langsame Timing bleibt noch Margin für eventuelle Dämpfungsglieder in der Clock und Datenleitung.
• Am Ausgang eines Moduls:
  t_pd > 1µs, damit das nächste Modul sicher ohne Setup/Holdverletzungen schalten kann. Zusätzlich muß t_pd < 14µs (bezogen auf die negative Clockflanke) gelten. Das ergibt zusammen mit der u.g. Zykluszeit für t_low ein rechtzeitiges Schalten vor dem Einlesen in die Zentrale. Damit ergibt sich ein maximaler Lesetakt von ca. 30kHz, was bei weitem reichen dürfte. Es wird empfohlen, den Modulausgang jeweils erst mit der negativen Clockflanke zu schalten.
• Clock:
  Hier empfiehlt sich eine Beschränkung der Flankensteilheit, um Reflexionen zu vermeiden. t_rise > 300ns.
  
  t_cycle > 30µs und t_high> 15µs und t_low > 15µs; Für S88-N Kompatibilität wird dieses Timing gefordert. Damit sollten sich auch per Mikrocontroller implementierte Module realisieren lassen.
  Ältere Module brauchen fallweise ein langsameres Timing. Die Zentrale soll hierzu eine Einstellmöglichkeit bieten.
• Reset:
  Dieser erfolgt asynchron und übersteuert LOAD oder CLOCK.