Zentrale

Aus Digital Modellbahn

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Grundlage

Zentrale in Eurobox
Modellbahn DCC Zentrale mit Netzwerk, XpressNet und LocoNet Anschluss
Anschlüsse der Z21 DCC Zentrale

Die komfortable aber sehr teure Modellbahnsteuerung Z21 von Roco und der genutzte XpressNet-Bus brachte mich auf die Idee, eine eigene Zentrale zu entwickeln. Im Mittelpunkt dieser Idee, stand die Absicht, die dort eingebrachte umfangreiche Hardware zu reduzieren bzw. durch Software zu ersetzen. Die Eigenbauzentrale sollte auch ein Netzwerk Interface (für APP und PC), XpressNet, S88 und LocoNet Bus bereitstellen.
Hier wird der Aufbau einer Z21 DCC Digitalzentrale auf Basis eines Arduino (Arduino MEGA über AliExpress ab 7,30 Euro) zur Steuerung der Modellbahn über das Z21 LAN Protokoll beschrieben. Auf den Arduino MEGA wird in der Grundversion dazu ein Ethernet Shield mit dem W5100 Chip (bei AliExpress ab 4,80 Euro), aufgesetzt. Mit diesem Ethernet Shield, kann der Arduino MEGA in ein bestehendes Netzwerk integriert werden und über einen Router mit WLAN mit Handreglern oder der Computersoftware zum Beispiel Rocrail kommunizieren. Durch Erweiterungen lässt sich zum Beispiel ein WLAN AP/Client mittels ESP6288 in die Zentrale integrieren.

Funktionsumfang

=> Ethernet Interface
=> WLAN Interface (Accesspoint- und/oder Client-Betrieb)
  • NMRA-DCC-Standard mit CV Programmierung (POM), [1]
=> 29 Lokfunktionen (Licht F0, F1 bis F28) steuerbar,
=> bis zu 2048 Weichen schalten,
=> Support RailCom® Cutout und global Railcom Detektor (POM read).
=> DCC Booster Ausgang für ROCO 10761/10764 Digitalverstärker mit optionaler Kehrschleifenfunktion
=> integrierter DCC Booster bis 5A (TLE5205 Treiber)
=> LocoNet-Client Mode (Slot-Server abschaltbar) für den Anschluss an der Intellibox

geplante Erweiterungen:

  • Programmierung von LocoNet LNCV Variablen über die Z21 mobile APP, ab v4.52 möglich
  • RailCom® Cutout (Support ab v4.70)
  • RailCom® Detector
  • LocoNet-Interface Support für F9 bis F12.
  • WLAN-Interface Verbindung über SPI (für Arduino UNO) - als Ablösung für Software Serial

Notes

  1. Das Motorola Format (MM) wird nicht unterstützt.
  2. S88N Unterstützung von bis zu 62x Modulen mit je 8 Ports und Raildata (DCC-Signal) .
  3. bis zu 31 Endgeräte (Roco LokMaus2, Roco MultiMaus) können am XpressNet angeschlossen werden.
  4. Support F0 bis F8

bekannte Bugs

Da dieses Projekt eine persönliche Entwicklung von mir ist bleibt es nicht aus das einige Protokolle nicht 100%tig unterstützt, oder mit kleineren Ungenauigkeiten Implementiert wurden. Hier eine Auflistung der bekannten Probleme:

  • (gelöst, ab v4.65) Problem: Kein 'Init...' bei der Kommunikation mit dem Freiwald Train Controller - Anpassung der Z21 Netzwerkimplementierung vorgenommen. Bugfix auch für ESP8266 ab v26 enthalten!
  • (gelöst, ab v4.70) Problem: Synchronisation Zentrale XpressNet Client - Aktive Funktionen und Fahrbefehle werden nicht an die Roco MultiMaus übertragen und auf dem Display dargestellt (XpressNet Busy Feature).
  • Probleme bei der XpressNet Kommunikation mit Lenz Hardware LH100 und LH01.
  • LocoNet Interface steuert nur Funktionen F0 bis F8

Gerne nehme ich Anregungen und Probleme auf: TICKET erstellen.

Hardware

Die Arduino Z21 DCC Zentrale erzeugt mithilfe der DCCInterface Library und dem Timer1/Timer2 (wählbar) ein DCC-Signal. Die Zentrale unterstützt je nach gewünschtem Funktionsumfang verschiedene Protokolle. Jedes dieser Protokolle benötigt um mit der Zentrale kommunizieren zu können ein eigenes Interface. Außerdem muss das jeweilige Protokoll im Sketch aktiviert werden (Durch "//" vor dem #define oder #include wird das jeweilige Protokoll deaktiviert!).

LAN Interface

Das LAN-Interface kann mittels "#define LAN" im Sketch aktiviert werden. Es stellt die Kommunikation der Z21 Protokoll Library über das Kabel gebundene W5100 Arduino Shield bereit. Die IP-Adresse um das LAN-Interface zu erreichen ist Standardmäßig fest auf 192.168.0.111/24 eingestellt und wird nicht automatisch über DHCP bezogen. NUR über das Webinterface kann die IP-Adresse geändert werden. Das Webinterface muss dafür im Sketch mittels #define HTTPCONF" aktiviert sein und der Client muss sich im entsprechenden Netzwerkbereich befinden! Ein Reset der IP-Adresse kann beim Einschalten der Zentrale (Betriebsspannung) und gleichzeitigem Drücken des Power On/Off Taster durchgeführt werden (DCC LED blinkt schnell, solange der Taster gerückt wird).

Bei der Verwendung am Arduino UNO mit WLAN über Software Serial, 
kann das LAN-Interface nicht aktiviert werden!

DCC Input Interface

Mit Hilfe des DCC Fremdeingang wird der DCC Datenstrom einer angeschlossenen DCC Zentrale mit in das eigene DCC Signal integriert. Hierbei erfolgt keine Rückkommunikation zu der externen Zentrale. Der Anschluss kann verwendet werden um zum Beispiel eine Piko Fern / Digi 1 (55019) zu nutzen. Da kein Timer zur Dekodierung notwendig ist läuft ist diese Integration unter allen Zentralen-MCUs möglich. Um das DCC-Interface zu verwenden, muss dies mittels #define DECODER im Sketch aktiviert werden.

XpressNet Interface mit Booster Support (externer Booster)

Arduino XNet Booster Interface (Eagle)

Wenn ein preisgünstiger ROCO Booster 10761, 10764 oder Freischmann Digitalverstärker 680801 bereits vorhanden ist, kann dieser als externer Booster genutzt werden. Dafür reicht ein XpressNet-Interface ohne die Funktionalität des MAX485 aus. Die dafür notwendige Kurzschlusserkennung ist in der Software der Zentrale integriert. Im Sketch muss der externe Booster aktiviert werden:
#define BOOSTER_EXT
#define BOOSTER_EXT_ON HIGH
#define BOOSTER_EXT_OFF LOW

Um eine Kommunikation mit der Lokmaus2 oder Multimaus herzustellen, ist ein XpressNet-Interface mit dem MAX485-Treiber notwendig. Die Z21 Zentrale arbeitet dann wie ein XpressNet Master für die LokMaus2 oder MultiMaus. Es können dabei bis zu 31 XpressNet Slaves (Clients) an die Arduino Z21 DCC Zentrale angeschlossen werden.

Aktivierung des XpressNet-Interface im Sketch mittels:
#define XPRESSNET
#include <XpressNetMaster.h>

In der rechts dargestellten Schaltung ist der Aufbau der DCC Ansteuerung des ROCO Boosters 10761 und das XpressNet-Interface dargestellt. Am XpressNet-Interface sind möglicherweise noch zusätzliche Pull Up/Down und/oder eine XpressNet Bus-Terminierung an der Leitung A und B notwendig (siehe XpressNet Hardware).

LocoNet

Arduino LocoNet Master und S88N Interface (Eagle)

Durch die Integration eines LocoNet-Interface ist es möglich die Arduino Z21 Zentrale mit der Intellibox zu verbinden oder mit LocoNet-Handregler wie den Fred zu nutzen. Um den Fred nutzen zu können muss in der Software der notwendige LocoNet Slot-Server aktiviert werden, dann ist ein Anschluss an der Intellibox (welche bereits einen Slot-Server integriert hat) nicht mehr möglich. Die LocoNet Library nutzt zur Signalerzeugung im Arduino UNO den Timer 1 und im Arduino MEGA den Timer 5. Aktiviert wird das LocoNet-Interface mittels:
#define LOCONET
#include <LocoNet.h>

Der Slot-Server kann mittels #define LnSLOTSRV zugeschaltet werden. Sollen alle Lokinformationen im LocoNet (auch ohne Anfragen) übermittelt werden, muss #define TXAllLokInfoOnLN true gesetzt werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn eine Steuerungssoftware über LocoNet mit der Zentrale kommuniziert.
Beachte: Das LocoNet-Interface unterstützt derzeit nur die Funktionen F0 bis F8!

S88N

Rückmeldungen können mit dem S88N-Interface an die Steuersoftware weitergeleitet werden. Es werden bis zu 62 Rückmeldemodule mit 8 Eingängen unterstützt. Einstellungen zur Anzahl der abzufragenden Module lassen sich über die Webkonfiguration mittels LAN oder WLAN vornehmen. Aktiviert wird das S88-Interface mittels:
#define S88N
Hinweis: Ab ca. 5 Modulen sollte ein Ausgangstreiber 74HC244 für den S88 Bus verwendet werden.

interner Booster

TLE5205-2g Booster

Ein einfacher und sehr kostengünstiger Booster (z.B.: H-Brücke TLE5205) zur Verstärkung des DCC-Signal direkt in der Zentrale. Implementierung einer zweiten Kurzschlusserkennung für den internen Booster und die Erzeugung eines separaten GO/STOP Signal. Die Aktivierung im Sketch erfolgt mittels:
#define BOOSTER_INT
#define BOOSTER_INT_ON LOW
#define BOOSTER_INT_OFF HIGH

Genutzt wird dazu ein H-Brückentreiber TLE5205 oder der Baugleiche TLE5206-2 welcher bis zu 5A Ausgangsstrom liefern kann. Eine Beschreibung ist auch unter Booster3 zu finden.

Achtung: Im Datenblatt des TLE5205 ist eine falsche Logiktabelle abgebildet!

interner Booster mit Railcom

TLE Booster3R für Railcom (Eagle)

Ab der Softwareversion v4.70 ist es möglich Railcom zu aktivieren. Um die für Railcom notwendige Abtastlücke zu erzeugen, muss der interne Booster umgebaut werden. Für die Ansteuerung des TLE wird nun ab v4.70 auch das DCC Signal auf den GO/STOP2 Pin (Booster intern) gelegt. Der Anschluss des internen Booster erfolgt damit so wie zuvor:

  • DCC -> DCC1,
  • GO/STOP2 (Booster intern) -> DCC2,
  • SHORT2 (Booster intern) -> SHORT.

Damit ist nun auch möglich eine andere H-Brücke (zum Beispiel L6206N) zu verwenden.

WiFi (WLAN Add-On)

ESP Arduino WiFi Modul
ESP Serial Anschluss (Eagle)

Für die WiFi-Kommunikation wird das ESP82660-01 Modul eingesetzt. Das ESP-Modul benötigt ein eigenes Sketch, welches im Downloadbereich heruntergeladen werden kann. Das ESP-Modul verbindet sich mittels Serial mit der Zentralen-MCU. Anschluss ESP8266 WLAN-Modul:

  • Arduino UNO = Serial (0,1) [oder über Software Serial (11,12)]
  • Arduino MEGA = Serial2 (16,17)
  • andere = Serial (0,1)

Die Kommunikation mit dem ESP erfolgt nicht mittels AT-Befehlen, sondern über ein modifiziertes Z21 LAN Protokoll mit Client-Erkennung (Sketch für ESP im Downloadbereich). Da das ESP-Modul mit 3,3Volt (ca. 200mA) arbeitet ist ein extra Spannungsregler und Pegelwandler auf dem WLAN-Interface zu installieren. Die zwei Taster auf dem Adapter im Bild, sind für das aufspielen des Sketch (Firmware-Update) und Reset beim ersten installieren des ESP-Moduls nötig. Programmiert wird das ESP wie ein Arduino, aus einer angepassten Arduino IDE heraus.
Für den Anschluss an der Zentrale können die auf dem Adapter installierten Taster und LED entfallen! Diese sind nur für die einmalige Programmierung notwendig. Um WLAN in der Zentrale zu aktivieren muss folgende Zeile einkommentiert werden: #define WIFI
Das ESP8266 stellt einen AcessPoint (AP) bereit. Über diesen kann mithilfe eines Webbrowser (http://192.168.0.111) die Standard-Einstellungen (SSID "Z21_ESP" und Passwort "12345678") und der WLAN Client-Betrieb (Client-Mode) an einem vorhandenen WLAN-Router konfiguriert werden. Wenn das S88-Interface genutzt wird, kann über das Webinterface auch die Modulanzahl angepasst werden.

Debugging

Um im Bedarfsfall interne Daten über den Serial Monitor überwachen zu können, gibt es dafür eine Debug-Ausgabe. Diese muss beim Arduino UNO und aktivem XpressNet oder WLAN komplett deaktiviert sein!
Aktiviert wird das Debugging mittels: #define Debug Serial
Einstellung welche Daten/Protokolle ausgegeben werden sollen:
#define DEBUG Ausgabe von Einstellungen und Softwareversion
#define REPORT Ausgabe der Zustände von S88 Rückmelder
#define LnDEB Ausgabe LocoNet Kommunikation
#define XnDEG Ausgabe XpressNet Kommunikation
#define Z21DEBUG Ausgabe Z21 Protokoll Kommunikation


Hardware MCUs (Schaltpläne)

Die Arduino Z21 DCC Zentrale kann unter verschiedenen Mikroprozessoren eingesetzt werden. Dabei richtet sich die Auswahl nach den notwendigen Funktionen (Interfaces).

  1. Arduino UNO Z21 DCC Zentrale (ATmega328p) - klein
  2. Arduino MEGA Z21 DCC Zentrale (ATmega2560) - mittel
  3. Sanguino Z21 DCC Zentrale (ATmega1284p/ATmega644p) - groß

Software

Die Software ist mit der Arduino IDE geschrieben.

Arduino Plug-In: Anpassung der Arduino IDE für die Funktion mit Sanguino oder ESP-Modul sind unter Arduino#Hardware beschrieben.

Beschreibung

Das Sketch kann universal für den Arduino UNO [eingeschränkt], Arduino MEGA oder für den Sanguino Mikroprozessor ATmega1284p (ab Sw. v31) eingesetzt werden.
In dem Sketch ab der Softwareversion 3x sind alle Protokolle variable aktivierbar/deaktivierbar. Bitte nutzt die Sketch Version 4 oder höher, hier wurden viele Fehler beseitigt! Bitte ladet euch auch die jeweils letzte Version der Bibliotheken herunter, denn nur so ist die Software lauffähig!

Bemerkung: Ab der Version 31 ist die neue DCC Interface Library mit Timer 2 funktionalität zu nutzen. Darüber hinaus, wurden die unterstützten Protokoll für dem Arduino UNO eingeschränkt (zu wenig RAM/ROM)!

Z21 WLAN Add-On Sketch

Diese Software ist für das WLAN WLAN Add-On (ESP8266) der Arduino Z21 DCC Zentrale notwendig. Sie muss in das ESP8266, mit Hilfe der Arduino IDE, hochgeladen werden. Die Software beinhaltet einen AJAX Webserver zur Konfiguration und die Option die S88-Modulanzahl zu ändern. Außerdem ist ein Reset Fall-back (Timeout) des Daten-Buffer für die Serial-Kommunikation zur Arduino Z21 DCC Zentrale implementiert. Zu beachten ist, dass es sich hierbei nur um das Sketch handelt welches für das WLAN-Modul notwendig ist, dies ist keine eigenständige Zentrale.
Info: Bei Konfigurationsänderungen am AccessPoint (AP) wird dieser beim Speichern automatisch neu gestartet - es erfolgt dadurch keine Rückmeldung oder Bestätigung des Speichervorgangs! Eine freie Kanalauswahl (1-13) für den AP ist nur möglich, wenn keine Client Verbindung besteht.

Arduino Z21 DCC Zentrale Sketch

  • Add Railcom und global Railcom Detektor (I2C)
  • Add POM lesen
  • Fix XpressNet Kommunikation
  • Fix Kommunikation im LocoNet-Client Modus mit der Intellibox (Fahrtrichtungsproblem).
  • Wireless & LAN: Support für kombinierte UDP Pakete. Zusätzlich Verbesserung im "DCC Interface Library" bei der CV-Programmierung.
  • LocoNet mit Slotserver (Master/Slave Betrieb) - Zum Beispiel als LocoNet Slave an einer Intellibox (ab Arduino DCC Interface Library ab v2.2!)
  • Weichen über LocoNet steuerbar und Anpassung der LocoNet Nachrichtenübertragung ins Z21-Protokoll.


Ältere Versionen können über Sourceforge heruntergeladen werden:


notwendige Bibliotheken

Hier sind die notwendigen Bibliotheken aufgeführt. Nur damit ist das Sketch der DCC Zentrale lauffähig.


Rechtsbehelf

Hinweis:
Die auf dieser Webseite vorgestellte Software und Schaltungen können für den privaten Gebrauch 
frei genutzt werden, eine kommerzielle Verwertung bedarf einer schriftlichen Genehmigung.