Zentrale Z21PG

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Arduino UNO Version | Arduino MEGA Version | ESP8266 (WeMos D1 mini) Version | ESP32 Version | Sanguino Version

Beschreibung

Zentrale in Eurobox

Modellbahn DCC Zentrale mit Netzwerk, XpressNet und LocoNet Anschluss

Anschlüsse der Z21 DCC Zentrale

Hier wird der Aufbau einer 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

• Kommunikation via Ethernet über "Z21 LAN Protokoll" von ROCO/Fleischmann, mit mehr als nur zehn "Endgeräten"!

=> W5100 Ethernet Interface

=> ESP8266 WLAN Interface für "Z21 LAN Protokoll" (Accesspoint- und/oder Client-Betrieb)

• NMRA-DCC-Standard mit CV Programmierung (kein POM), 29 Lokfunktionen (Licht F0, F1 bis F28) und 2048 Weichen.

=> DCC Booster Ausgang für ROCO 10761/10764 Digitalverstärker mit optionaler Kehrschleifenfunktion

=> integrierter DCC Booster bis 5A (TLE5205 Treiber)

• S88N Rückmeldebus (Arduino Simpel S88 Interface)
• XpressNet - ab Softwareversion 2
• LocoNet mit Slot-Management für FRED oder DAISY Handregler - ab Softwareversion 3

=> LocoNet-Client Mode (Slot-Server abschaltbar) für den Anschluss an der Intellibox - ab Softwareversion 43

• DCC-Input Anschluss einer "Fremdzentrale" (nur für Arduino MEGA)
• Extra: Softwareupdate & eigene Anpassungen über Upload des Sketch mittels Arduino IDE.

geplante Erweiterungen:

• Programmierung von LocoNet LNCV Variablen über die Z21 mobile APP
• separater Programmierausgang mit ACK - Schreiben und Lesen von Konfigurationsvariablen (CV) - (Eagle)
• Stromsensor ACS712t für integrierten Booster - Auslesen der Gleisbelastung
• RailCom ® am DCC Ausgang
• Vielleicht: Nextion UART 3,5" TFT Touchscreen in der Zentrale zum Steuern und Programmieren?

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:

• Abbruch der Kommunikation ab TrainController Version 8 F2 - Anpassung am Z21 Protokoll in Arbeit.
• Synchronisation Zentrale - XpressNet, aktive Funktionen/Fahrtrichtung wird nicht durch Roco MultiMaus dargestellt.
• Probleme bei der XpressNet Kommunikation mit Lenz LH100, LH01

Gerne gebe ich zu Anregungen oder Problemen Auskunft.

Entwicklung

ROCO XpressNet:
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.
Kurzbeschreibung zum XpressNet:
Wenn ein preisgünstiger ROCO Booster 10761, 10764 oder der Digitalverstärker 680801, verwendet wird, ergibt sich die Notwendigkeit eines XpressNet-Bus Masters (auch als Zentrale oder Hauptknoten bezeichnet). Die Masterfunktion kann beispielsweise eine LokMaus2 oder Multimaus übernehmen. Der Master steuert dann die gesamte Kommunikation des Roco XpressNet-Bus und erzeugt das DCC-Signal.
Das Projekt besteht aus zwei Teilen. Zuerst wurde ein Client für den XpressNet-Bus entwickelt (siehe Z21 mobile - Slave am XpressNet). Um die Funktionen des oben beschriebenen XpressNet Master (Lokmaus2 oder Multimaus) zu ersetzen, schrieb ich dann eine entsprechende XpressNet Master Interface Library. Das Beispiel zeigt, wie man die Hardware einer kompletten industriell gefertigten Digitalzentrale durch Software ersetzen kann. Außerdem besteht jetzt die Möglichkeit durch die Einarbeitung unterschiedlicher Schnittstellen, verschieden auf dem Markt befindliche Systeme zu unterstützen.

Hardwareinterface

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.

LAN Interface

Kommunikation des Z21 Protokoll über das Kabelgebundene W5100 Arduino Shield. Die IP-Adresse um das Interface zu erreichen ist Standardmäßig auf die 192.168.0.111 eingestellt und kann über das Webinterface geändert werden.

DCC 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.

XpressNet Interface

Arduino XNet Booster Interface (Eagle)

Mit dem XpressNet-Interface wird eine Kommunikation mit der Roco Lokmaus2 oder Multimaus hergestellt. Der Arduino mit dem MAX485 - Treiber, arbeitet wie ein Master (LokMaus2/MulitMaus) am XpressNet. Es können dabei bis zu 31 XpressNet Slaves (Clients) an die Arduino Z21 Zentrale angeschlossen werden. Auch ohne die XpressNet Funktionalität (MAX485-Treiber) kann dieses Interface in Verbindung mit einer Roco/Fleischmann Zentrale 10761 als externer Booster genutzt werden. In der Zentrale ist die dafür notwendige Kurzschlusserkennung implementiert.

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 und S88

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.

Rückmeldungen können mit dem S88 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. Himweis: Ab ca. 5 Modulen sollte ein Ausgangstreiber 74HC244 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. 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!

WiFi (WLAN)

ESP Serial Anschluss (Eagle)

Integration des Z21 LAN Protokoll über eine externe Library z21.h. Das macht eine Auswahl des zu nutzenden Interfaces (W5100 oder WLAN) möglich. Für die WiFi-Kommunikation wird das ESP82660-01 Modul eingesetzt. Dieses verbindet sich per Serial mit der Zentralen-MCU. 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 WiFi-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.

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 ESP8266 WLAN-Modul Sketch

• Z21 ESP8266 UDP v23 Sketch (160118) Download
  

WiFi Software Version 2.3 mit AJAX Webserver und S88-Modul Anzahl konfigurierbar. Automatisches Rücksetzten des Buffer für die Serial-Kommunikation. Bei Konfigurationsänderungen wird der AP neu gestartet - es erfolgt keine Rückmeldung zu Speicherung der Eingaben! Freie Kanalauswahl für AP nur möglich, wenn keine Client Verbindung besteht!

DCC Z21 Zentrale Sketch

• Arduino DCC Zentrale v45 (160221) Download

• Fix Kommunikation im LocoNet-Client Modus mit der IntelliBox.
• Wireless & LAN: Support für kombinierte UDP Paket im WLAN und LAN. Zusätzlich Verbesserung im "DCC Interface Master" 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:

• Arduino Z21 DCC Zentrale Sourceforge (alle Versionen)

Library

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

• Z21 LAN Protokoll Library v1.2 (160118) Download - Arduino Z21 LAN Protokoll Library

=> Für Zentrale ab Softwareversion 4 nötig.

• Arduino DCC Interface Library NEW Download - NEU: Timer 1 oder Timer 2 wählbar - Standard: Timer 2. Verbesserte Datenabfolge bei der CV Programmierung.
• XpressNet Master Interface Library v1.6 Download
• Arduino LocoNet Library