ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Не так давно я
увидел у одного из своих знакомых каталог моделей, где был
изображен декодер и описывались возможности Digital. На мой вопрос “что это такое и как
работает?” я получил весьма расплывчатый ответ: очень дорогая система, как
работает – никто не знает.
Я
заинтересовался и, используя свои знания в области радиоэлектроники и смежных
областях техники, решил попробовать раскусить эту систему.
Результаты исследований оказались удивительными!
Оказывается, используя систему цифрового управления можно очень сильно
упростить электрическую схему макета.
А. Загребельский
в своей статье “Думы о модулях” (Железнодорожное дело № 5 – 6 1999
г.)
верно подметил один из главных сдерживающих
факторов в строительстве макетов: отсутствие свободного места в квартире.
Следовательно, макет должен быть разборным и модули макета должны легко
стыковаться между собой, в том числе и по электрическим соединениям схем
управления. Кроме того, очень желательно для проведения выставок иметь
возможность соединять в один макет модули от разных макетов, сделанных разными
людьми. Так вот, цифровое управление дает такую возможность. Более того,
существуют стандарты, принятые NMRA – Национальной ассоциацией железнодорожного
моделирования США, которые де-факто приняты и европейскими производителями (Arnold, Lenz, Roco, Trix).
Эти стандарты
регламентируют кодировку управляющего сигнала, его электрические параметры и
базовые функции аппаратуры управления для всех масштабов, что обеспечивает
унификацию аппаратуры управления и моделей разных производителей. Кроме
стандартов, существуют Практические рекомендации NMRA, предназначенные для производителей и
конструкторов аппаратуры управления, моделей подвижного состава и
принадлежностей макетов (стрелок, сигналов и т.п.). В Практических
рекомендациях описываются, например, типы электрических разъемов на моделях
подвижного состава, нумерация их контактов и т.п.
Таким образом,
макет или модуль с системой цифрового управления, удовлетворяющей требованиям
Норм и Практических рекомендаций NMRA, можно подключить к любому макету или модулю с такой же
системой управления и использовать для управления таким сборным макетом любой
пульт управления, построенный по Нормам и Практическим рекомендациям NMRA, причем во всех масштабах.
Как это возможно
– описывается в нижеприведенном материале.
Итак…
ЧТО ТАКОЕ - ЦИФРОВОЕ
УПРАВЛЕНИЕ?
Цифровая система управления ( далее
- цифровое управление ) – способ управления макетом, который не требует
постоянного переключения регуляторов и блокировок. Все управление
осуществляется от одного небольшого пульта (джойстика). Традиционная система
управления постоянного тока (Рис. 1) - очевидно более ”проста”, чем цифровое управление (Рис. 2); но...
Обычная система управления
позволяет управлять только одним локомотивом на блок - участке.
Цифровое управление позволяет одновременно, на одном блок – участке, управлять
несколькими локомотивами и, кроме того, всеми стрелками, сигналами и другими
подобными устройствами. Причем для управления всеми принадлежностями не нужны
дополнительные провода – достаточно двух рельсов или двух отдельных проводов
(об этом будет сказано ниже).
Как это возможно? Каждый
локомотив имеет небольшой компьютер (“декодер”,”дешифратор”),
такой же по конструкции декодер
установлен на стрелках и других устройствах макета. Этот декодер получает “инструкции”,
посланные по рельсам пультом управления по указаниям с джойстика. Только, подобно
настоящему локомотиву на железной дороге, каждому локомотиву на Вашем макете
присвоен индивидуальный номер, который записан в декодере. Пульт управления
посылает команды на каждый движущийся (или стоящий) локомотив, используя его уникальный номер и задает следующие параметры:
·
Скорость движения
·
Направление движения
·
Разгон (торможение)
·
Включение огней,
гудка, и т.п..
Можно гонять хоть 10 (или
2...или 20...или 200) локомотивов по одному пути друг за другом, поскольку Вы
можете индивидуально управлять каждым из них!
Чтобы понять, как это
возможно – рассмотрим более подробно компоненты цифрового управления,
изображенные на рис.2
БЛОК ПИТАНИЯ
Обычно это просто
трансформатор, который питает переменным током низкого напряжения
пульт уравления
и бустер. Напряжение 14 – 18 Вольт, ток 3 – 5 Ампер.
ПУЛЬТ
УПРАВЛЕНИЯ
Мозг
цифрового управления, но это редко отдельный блок, обычно он скомпонован в
одном корпусе с бустером и / или джойстиком. Внутри содержит микропроцессор плюс
некоторое количество памяти. Отвечает за связь между джойстиками и всеми
декодерами. Пульт управления общается с декодерами, передавая им через рельсы
пакеты данных. Каждый пакет представляет собой поток двоичных цифр (т.е. 0 и 1
– см. Рис.3) переданный со скоростью приблизительно 8000 бит /сек. Следует
заметить, что роль пульта управления может выполнять компьютер, причем класса
386 или даже 286.
.
Базовый пакет показан на
рис. 4; он состоит из первых десяти или более последовательных ”1”, сопровождаемых
тремя 8-битовыми байтами данных каждая, разделяемых «0» стартовых бит, и
завершаемых конечным битом (логическая 1); байты данных:
1.
Байт адреса
- сообщает декодерам, для какого из них эти данные предназначены.
2.
Байт инструкции
- сообщает адресуемому дешифратору скорость и направление “его” локомотива.
3.
Байт контроля
ошибок. Поскольку цифровое управление
подобно компьютерной сети, действующей в очень “ шумной ” в плане электрических
помех среде, необходимо обнаруживать ошибки, которые неизбежно происходят
в пакетах данных из-за помех.
Пульт управления может
передавать150 - 200 пакетов/сек. Это означает, что если на макете имеется 10
локомотивов с декодерами, каждый декодер получит “персональный” пакет 15 - 20
раз каждую секунду. Почему это число важно? При отсутствии пакета со “своим”
адресом локомотив продолжает исполнять команды предыдущего пакета. Если пакет,
содержащий изменение команды, искажается помехой, локомотив выполняет команду
предыдущего пакета. В этом - другое достоинство цифрового управления: в
большинстве форматов Вы можете позволить локомотиву продолжать автоматически
выполнять заданную программу, пока Вы выбираете другой локомотив ( с джойстика ) и им управляете.
УСИЛИТЕЛЬ
Получает пакеты данных,
генерируемые пультом управления, и усиливает до уровня + 14 -16 вольт.
Этот биполярный сигнал
имеет следующие характеристики:
Форма сигнала:
·
Прямоугольная
Напряжение:
·
±14 –16 Вольт
Частота:
·
Приблизительно 4000 - 9000Hz (4 -
9KHz)
ВНИМАНИЕ! НЕ ПУТАТЬ СИГНАЛ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ!
Биполярный сигнал цифрового
управления используется бортовым декодером:
1.
Для приема команд
от пульта управления
2.
Для
преобразования в напряжение постоянного тока, питающее электродвигатель
ДЕКОДЕР
В настоящее время декодеры
изготавливаются и устанавливаются на моделях многими фирмами. Некоторые
декодеры разрабатываются, чтобы непосредственно заменить плату освещения в
модели локомотива; они называются «P-n-P» – декодеры.
Большинство других декодеров
имеют выводы в виде проводов, хотя в H0 и более крупных масштабах декодеры
имеют разработанный NMRA стандартный 8-штырьковый разъем, который соединяется с
гнездом на модели локомотива. Самый маленький по размерам в настоящее время
декодер Digitrax - DZ121 имеет размер 17,27 x 9,65 x 4,57 мм и предназначен для типоразмера Z, хотя может использоваться на локомотивах типоразмера
N и даже -
некоторых H0 (зависит от тока потребления электродвигателя). Важно выбрать
декодер в соответствии с электрическими параметрами конкретной модели.
Блок – схема типичного
декодера представлена на рис. 6. Сигнал цифрового управления приходит с рельсов
непосредственно на диодный мост и фильтр, которые преобразуют прямоугольные
импульсы в напряжение постоянного тока, используемое для питания двигателя и
освещения модели, а также и самого декодера. Микроконтроллер считывает
информационные пакеты с рельсов, и если ”байт адреса” соответствует адресу
(номеру) данного локомотива – выполняет зашифрованную в байте инструкции
команду. Адрес (номер) для каждого
локомотива записывается в декодер с помощью джойстика; для этого модель
устанавливается на “рельсы программирования”, которые подключаются к пульту
управления.
Пульт управления «пишет» выбранный адрес в энергонезависимую
память (EEPROM) декодера; в дальнейшем, декодер откликается только на
записанный в нем адрес.
Этот адрес - обычно две
цифры (от 01 до 99; 00 - резервируется), и - часто последние две цифры являются
номером локомотива (напр., локомотив с
бортовым №4627 имеет адрес «27»). Когда декодер обнаруживает свой адрес в
пакете, он временно загружает направление, скорость и функциональные данные,
проверяя «байт контроля ошибок», чтобы гарантировать достоверность данных; если
данные достоверны, любые запрошенные изменения программы будут сделаны
немедленно (напр., ускорение, торможение, остановка, изменение направления
движения, включение фары ), т. е. от микроконтроллера
будут выданы соответствующие команды на блок управления двигателя и блок
управления дополнительными функциями. Если же данные приняты неправильно –
будет продолжено выполнение предыдущей команды. При записи адреса в декодер
также записываются различные «переменные конфигурации» (CVs
– по принятой в мире терминологии),
например:
·
Какое направление
- «вперед» для локомотива;
·
Стартовое
напряжение двигателя (напряжение начала движения);
·
Максимальное
напряжение двигателя;
·
Ускорение/торможение
(коэффициент);
·
Работает локомотив
один или в сцепке с другим локомотивом;
·
Как должны гореть
огни;
·
Шаг изменения
скорости движения (14, 28 или 128).
Управление двигателем в
системах цифрового управления осуществляется так же, как и при использовании
импульсных блоков питания в системах постоянного тока – изменением скважности
импульса (смотри Рис.7).
Кроме декодеров,
установленных на моделях подвижного состава, в системах цифрового управления
используются неподвижные “ декодеры
принадлежностей ” (Accessory Dekoders
по общепринятой терминологии). Они применяются для управления различными
устройствами макета (стрелками, кранами, семафорами, переездами и т. п.).
Простейшие декодеры принадлежностей выполняют 2 команды (например, стрелка
вправо - влево), более сложные управляют электродвигателями и могут передавать
командной станции информацию о своем состоянии.
ДЖОЙСТИК
Небольшой блок с рукояткой
переменного резистора и кнопками функций (для включения света, подачи звуковых
сигналов и т. д.)
СКОЛЬКО
ЭТО СТОИТ?
По моим прикидкам,
стоимость комплекта деталей для изготовления простой системы цифрового
управления будет следующей:
·
Блок управления
– около 600 рублей
·
Бустер – около
150 рублей
·
Декодер –
около 300 рублей
