Електроника и Електротехника | Electronics and Electrical Engineering > Цифрово / дигитално управление | Digital Command Control
Малко теория и практика в използването на цифровото управление.
pach:
По една или друга причина която не е предмет на тази тема тук , макар и стар (но не и опитен) моделист до сега винаги съм се оправял в управлението на мойте макети по чисто стария начин.Тоест чрез така нареченото “аналогово” управление.Напоследък реших да отделя от времето си и макар и късно , да се запозная от близо с предимствата и недостатъците на цифровият начин на управление използван от доста отдавна от моделистите по света и у нас . По мой скромни сведения началото май е било около 1990 г. и също като модулостроенето (от 1975г.)се оказва ,че цифровата система за управление не е от вчера..
Тук се оказа и първия проблем за мен.Тези които знаят какво представлява този начин на управление , или не могат да го обяснят на смислен технически език , или говорят за него с недомлъвки и кратки “високи” изречения които са неразбираеми за начинаещите.Трябва да уточня , че знаещите не се държат така от “снобизъм” или искат да скрият нещо.Не ,просто те го знаят , научили по един или друг начин , и сега не могат да обяснят елементарните неща , понякога от липса на време , друг път защото не знаят как по- просто да го обяснят или пък просто употребяват системата , но не знаят как работи (за да управляващ автомобил , не е нужно да знаеш устройството на двигателя – може само да си сигурен, че той ти е необходим за движението на превозното средство).Или , което се случва най-често –обясняват така щото те си го знаят и прескачат важна информация под графата “ама това го знае всеки , и аз за това го прескачам!!!”.И тук всъщност е основния проблем на начинаещия , решил да ползва възможностите на съвременната електроника.
След доста продължително ровене по списания , ръководства за употреба и най-вече чуждоезични сайтове в мрежата , открих ,че вместо да научавам нещо , в главата ми се образува характерната каша от ентусиазъм , някакви знания , някакви догатки и т.н. като след разговор с по-горе описаните опитни моделисти.Тоест след месец занимания на тази тема,това което знаех е по-малко и по-объркано от това което се надявах да науча.
Е тук вече , да си дойда на думата – за да не се гънат колегите които , също като мен тръгват по този път , преминаването от аналагова пълна автоматизация към частична , в последствие пълна цифровизация на управлението в нашия моделизъм , реших да направя малка , но пределно ясна тема с горното заглавие.Тук искам да отворя една скоба – за да ползваш цифровото управление , не е необходимо да знаеш как e работило аналоговато такова , и какви са били начините за централизирана автоматизация и блокировка при него , но все пак от обща култура пък и малко моделистки знания , никога не са били излишни.Или както уча децата – учете таблицата за умножение , защото някой път просто няма да имате батерий за калкулатора!!!
1. Какво е цифрово управление и има ли почва то , в мойта глава!?
;D :( :o ::) ;D
Почти всеки моделист по един или друг начин се е срещал с горд собственик на минимилната конфигурация за цифрово управление на железопътни модели.И всеки е останал възхитен от външно видимите ефекти от такова управление . Говоря за характерният звук който издават различните локомотиви и други съоръжения , намиращисе под това ръководство.Един път чул , този звук (питайте Жоро например) всеки се замисля и решава ,че рано или късно ще трябва да премине към новите “екстри” на хобито си.
Как бе преди това?
Било то на постоянен макет , или “разполагащ” се на масата или пода , ние разчитахме на един или два трансформатора с изправители и регулиране на изходното напрежение , за да управляваме поне в двете възможни посоки на движение най-малкото два влака.Характерното за тази система , е че колкото повече влакове и локомотиви искаме да се движат едновременно , толково повече , се усложнява схемата на организираните самостоятелни участъци, начина им на управление , блокировката за предотвратяване на катастрофи , както в тези участъци така и при преминаване на стрелки , прелези , малки и големи гари.Да , някой ще каже – ми това е супер , колкото повече електроника , релета , проводници и т.н. толково по-занимателно и интересно.
Но това мнение мигом се забравя , щом се установи дефект в системата (който може да е и “по рождение”) и се започне едно ровене по ключета и бутони , проводници и релета , регулатори и електронни блокчета , със споменаването на нежната половина от човечеството до девето коляно , щото ни е яд , че вместо да се наслаждаваме на движението на любимия си локомотив , сме се оплели в схеми и инструменти ,за да извършим поредният “текущ ремонт”.Накрая когато открием коя жичка се е откъснала , свободното ни време е отлетяло , и ние вече не сме сигурни дали следващият път ще се надуваме като пуяци от сложноста на схемата която сме измислили и реализирали в името на движението на влаковете.Да не говорим за ровенето из помощните средства (било то литература , записки от коляно или интернет ) за все по-сложни ,и по-добри схеми за това или онова нещо .
За тези които това ровене и сглобяване смятат , че ще им липсва или намали силата на “вкуса” от хобито – веднага допълвам – спокойно , ровенето продължава но вече е на нова тема...
Е , както вече го коментирахме тук някъде , всичко това отпада , тъй като се управлява от едни малки и “умни” електронни блокчета включени фабрично или самостоятелно в локомотиви , вагони , стрелки , прелези , семафори и светофори , обръщателни кръгове и уши , сгради и т.н. като най – важната продробност е че се управляват само по два проводника , каквито например се явяват релсите , а те както знаем обикалят навсякъде.
С цел стандартизация и тук както при първоначалните параметри , има препоръки и закони по NIMRA ( Национална асоциация по железопътно моделиране на САЩ) , които де-факто са приети и от европейските моделисти под формата на добре познатите ни стандарти NEM.
Тези стандарти регламентират кодировката на управляващия сигнал , неговите електрически параметри ,както и базисните функции които трябва да може да изпълняват апаратите за управление от различните производители с цел унификация на това управление.
По такъв начин макета , модула или дори само локомотива , изпълнени според указанията на стандарта , не биха имали проблем при влючването им/върху/към друг модул , макет и т.н. без проблем и то във всички мащаби.
Как това е възможно ли ...ами много просто , чрез цифровизация!!!Цифровото управление (ЦУ) е принцип за управление с един пулт (джойстик) .
Ето как изглежда традиционната схема за управление по аналагов начин.
Обикновенната аналогова схема за управление на подвижния състав позволява движението само на един локомотив в определен участък от трасето (принципно могат и повече , но всички знаем проблема с различните скорости и мощности , едновременно и не толкова , тръгване и спиране и най-вече – движението в една и съща посока).ЦУ позволява едновременно управление на един участък от трасето неограничен брой (по старите модели само до 99 , но по –новите вече са с 10 000 еденици ) подвижен състъв , стига да има място на релсите както и неограничен брой стрелки , семафори и т.н.както казах по-горе при това е необходимо наличието на една релса или два проводника , като към разликата м/у проводниците и релсите ще се върнем по-късно.
Ето една традиционна схема за ЦУ.
Как това става на практика ?
Всеки локомотив има вграден декодер (някой го титулуват дори микрокомпютър) което преведено на говорим език означава “дешифратор”.Дешифратора всъщност задължително съдържа една интегрална схема (обикновенно в SMD-изпълнение позволяваща крайнаминиатюризация) която представлява най-обикновен програмируем микроконтролер.
Такива дешифратори има и към всяко друго устройство , било то стрелка , прелез , обръщателен кръг и т.н.
Всички такива дешифратори получават заповеди (наричани в електрониката – инструкций) по двата проводника или релсите които също са две , от централния пулт за управление.В действителност този пулт може да се състои от няколко “подстанций” по известни като мишки (но не компютърни) или няколко персонални компютъра свързани в мрежа , или комбинация м/у всички изброени устройства.
Всеки дешифратор постоянно чете инструкцийте по двата проводника , и когато открие тези които се отнасят до него , ги изпълнява .Разпознаването на “собстветните” му инструкций става когато те бъдат получени на неговия адрес , което означава че се отнасят само до него и никой друг дешифратор , защото само на него е присвоен този адрес , който го прави уникален в дадена система за управление.При разчитането на този адрес , започва четене на инструкцийте които задават следните параметри (когато дешифратора е монтиран м локомотив):
- скорост на движение.
- посока на движение.
- Ускорение или спиране.
- Включване/изключване на светлините , тромбите и т.н.
Да разгледаме компонентите които изграждат системата за управление.
Захранващ блок.
Обикновенно това е достатъчно мощен трансформатор осигуряващ необходимите захранващи променливи напрежения (14-18 V) с необходимата мощност (ток 3-5 А).този трансформатор осъществява захранването на пулта за управление и така наречения “бустер”(усилвател).
Пулт за управление.
Това е “мозъка” на ЦУ.Рядко е самостоятелен блок.Обикновенно е комбиниран в един корпус с бустера и/или джойстика(мишка).Вътре съдържа електронни компоненти между който има и малък микропроцесор с известно ограничено количество памет.Пулта управлява дешифраторите чрез предаването на пакети от данни по релсите (проводниците).Всеки пакет предсавлява поток от двоични данни (тоест поток от импулси ,”нули” и “единици”).Тези нули и единици отговарят както и в “останалата” електроника , на високо (1) ниво на напрежение или съответно ниско (0) ниво.
Този пакет бива предаван със скорост около 8000 бит в секунда .Казано на говорим език –за една секунда в този пакет високо и ниско ниво се сменят 8000 пъти.Тази скорост е напълно достатъчна да се предават практически мигновенно огромни потоци от информация достатъчна за управление на железопътни модели . Но тъй като не е от най – високите скорости в електрониката , същевременно позволява за пулт в управлението да се използват и по стари,обикновенни и “бавно” действащи компютри от клас “386” , бих казал дори и “286”.
Базовият пакет показан тук се състои от първи няколко десетки последователни единици , наречени увод/въведение (или готовност) последвани от три осем битови байта (1 байт = 8 бита ) данни всеки , разделяни от нулите на стартовите битове и завършва с последния бит (логическа еденица).
След въведението и първия разделителен бит следва –
- адресния байт. Той съобщава на всички дешифратори за кой ще следват инстрекций.
- Байт с инструкцийте.Той съобщава на съответния дешифратор с каква скорост и в каква посока да движи “своя” локомотив.
- Байт за контрол на грешката.Доколкото ЦУ работи подобно на всяко електронно устройство в много “шумна” от електрическите смущения среда , се явява необходимост от провелка за евентуална допусната грешка в четенето на потока (пакета) от информация.
Всеки пулт за управление може да изпраща над 200 пакета от информация в секунда.Това допуска , че ако се управляват едновременно 10 локомотива , всеки един от тях ще получи персоналния си пакет от данни около 20 пъти за една секунда.Важното е че когато не намира “своя” пакет с инструкций , всеки дешифратор продължава да изпълнява последните получени команди.Ако при проверката на байта за грешка се окаже ,че е получил грешни команди , ще подължи да изпълнава последният верен пакет който е получил.В това е едно и от достойнствата на ЦУ – повишаване на сигурноста при командването.Друг плюс е възможността при управлението на много подвижен състав , той да се движи самостоятелно и автоматично по зададените команди , а вие да управлявате интересуващата ви в момента подвижна транспортна единица.
Усилвател (бустер).
Получава пакетите с данни , генерирани от пулта за управление , усилва ги до ниво +/- 14 до 16 волта , като същевременно им придава стандартната правоъгълна форма .Работи с честота в рамките на 4 до 9 кНz.(4 000- 9000 Нz).
Внимание ! Не бъркайте сигнала на ЦУ с променливия ток!!!
Този правоъгълен двуполярен сигнал се използва от дешифраторите по две основни задачи – приемане на управляващите команди и захранване на двигателя в подвижната единица с постоянен ток.
Дешифратор.
Двуполярният сигнал на ЦУ се употребява в дешифраторите на борда на подвижния състав (освен че е навсякъде).
Дешифратора служи най-вече за две основни неща:
1.За приемането на инструкцийте от пулта на управлението.
2.За преобразуване на променливото напрежение в изправено , което захранва съответния двигател или друго изпърнително устройство.
При цялото разнообразие от произвеждани дешифратори , се очертават няколко основни групи.От групата предназначени за подвижен състав отделяме два основни модела .Единия е за непосредствено включване в осветлението на локомотива , както и модели които са конструирани за подмяна (или монтиране) на осветлението във вагоните.Тези два вида са известни като дешифратори тип „Р-n-Р”.
Останалите модели са снабдени със снопче проводници или както е при по-големите мащаби , притежават препоръчителния от NMRA стандартен 8-краков щифтов съединител (мъжки) който им служи за включване в съответния 8-краков гнездов съединител (женски) намиращ се вътре в локомотива (когато е фабрично вграден както е при част от произвежданите в днешно време).При преустройство нот аналогов в цифровизиран подвижен състав обикновенно моделиста сам си монтира гнездовия съединител (но някой предпочитет да свързват направо проводници от дешифратора).
Най-малкия дешифратор доскоро бе на DIGITRAX , модел DZ121 с размери 17,3 х 9,7 х 4,6 мм , предназначен за мащаб Z , но от 2000 г. насам с продължаващото бурно развитие на електрониката и новите технологий , и това не е последният дребосък в помощ на моделиста.
Принципно може да се избира индивидуално точно кой дешифратор ще си монтирате в локомотива , но нетрябва да забравяте едно много важно условие (освен размерите му) и то е –дали дешифратора може да отдаде необходимата мощност за захранване на двигателя който ще управлява.В противен случай , ако двигателя има по-голяма консумация на ток от тази която може да му подаде дешифратора , последния се претоварва , прегрява (но охлаждането не решава проблема) излиза от строя , като най-често непоправимо , което води до големи разочарования в по-неопитните моделисти.
Блок схемата на типичен дешифратор е представена в следващият пост.
8)
pach:
Сигнала от ЦУ пристига по релсите (два проводника) и през токоснемателите в ходовата част , постъпва непосредствено на филтър и токоизправител.Този токоизправител преобразува входящите правоъгълни импулси в постоянно напрежение , което служи за захранване на двигателя и осветлението в модела.Всъщност захранва и самият дешифратор , който също работи с постоянно напрежение.
Микроконтролера ( това е интегралната схема или „чипчето”) следи информационните пакети от правоъгълни импулси постъпващи на входа му , и ако адресния байт съвпада с неговия индивидуален адрес , изпълнява зашифрованата команда . За това се нарича дешифратор.
Адреса на всеки дешифратор предварително се записва в него с помощта на пулта за управление (джойстик ,мишка ) за която цел , модела се поставя на тъй наричаната „релса за програмиране”.Тя може да бъде като самостоятелен модул , допълнителна релса или специално отделен участък от релсовия път.Много важно условие е да е винаги отделена от движещите се локомотиви и т.н. когато се програмира на нея , защото в противен случай се получава объркване , претоварване и съответно непоправима авария в дешифраторите както програмирууеми , така и тези които са в движение.
Пулта за управление записва избрания адрес на дешифратора в енергонезависима памет (ЕЕPROM) , тоест дори и след изключване на захранването (модела е прибран ) тозе адрес остава запомнен .Дешифратора помни последният програмеран адрес на който се отзовава , до следващо препрограмиране .
Адреса обикновенно се състои от двуцифрено число (при по старите дешифратори то е от 01 до 99 ). Адрес „00” също е валиден но той е „запазен” .С цел избягване на обърквания , честа практика при моделистите е адреса да отговаря на последните две цифри от номера на локомотива, но това не е задължително.Всеки може да си измисли собствена система за номериране на подвижния състав с цел по-лесно запомняне .
Когато даден дешифратор си „познае” номера (адреса) в потока от импулси , той зарежда информацията за посока , скорост и функций (осветление и звук) проверява байта за грешки , за да си гарантира правилно разчетената информация , и ако тя е вярна изпълнява незабавно получените команди.Тоест той подава тези команди на изпълнителните блокове за двигателя , осветлението и т.н.Ако при проверката за грешка открие такава , дешифратора изпълнява последната получена вярно команда , което всъщност прави и докато получава новите пакети с информация . Това на практика става за много малки части от секундата .Тоест той за една секунда получава огромно количество информация , така че когато открие грешка (получавана поради смущения в сигнала) той я пренебрегва .На практика това пренебрегване не е забележимо нито за модела , нито за човека който го управлява .Нещо като светещата електрическа крушка .Всички знаем че тя всъщност светва и угасва 50 пъти в секунда , но това не го виждаме на практика и не ни пречи.При дешифратора скоростите на промени са още по – големи и ако има грешка в пакета от данни ,докато тя е пренебрегната , нито двигателя (заради инерционните моменти ) нито осветлението или звука показат промяна която да бъде засечена от човешката природа.
Между впрочем начина на организация – получаване на информация , разпознаване на „своя” адрес , проверка за грешка и последващо изпълнение на инструкцийте е в основата и на всеизвесните микропроцесори използвани повсеместно не само в компютрите , но и в цялата съвременна електроника.От тук някой лаици наричат тези малки интегрални схеми – микроконтролерите – микропроцесори.Названието е близко до истината , но не е съвсем коректно.Микроконтролерите представляват „по-слаби” микропроцесори , но за сметка на това имат вградени изпълнителни устройства , чрез които контролират подкачените към тях блокове .От тук носят и именате си –микроконтролери.Клоновете на електронните компоненти са толкова много и взаимно преплитащи се , че е прието нещата да се наричат така както са ги нарекли създателите им (дори това да не е точно).Така се избягват объркванията.
Връщайки се на дешифратора ,трябва да уточня , че при предварителното програмиране , освен адреса му , в него може да се програмират още допълнителни различни променливи задачи (променливи конфигураций-или CVs както е прието в практиката).Тези променливи задачи могат да бъдат:
• кое е посоката „напред” за този модел.
• Стартовото напрежение за конкретния двигател.
• Максималното напрежение на двигателя.
• Коефициента с който се ускорява или спира модела.
• Работата на локомотива в двойка с друг (теглят обща композиция).
• Как трябва да работят светлините.
• Стъпката с която да се изменя скоростта на движение (14,28 или 128)
Тук искам да отворя една малка скоба. Исторически погледнато , първите на които не само е дошла идеята , но са го и реализирали в почти съвременния му вид цифрово управление , се оказват американските железопътни моделисти.Системата за цифрово управление първоначално е била замислена като решение за съвместяване на тандемните локомотиви , с цел постигане на еднаква работа в “един отбор” ,независимо от индивидуалните механични качества на всеки един отделен екземпляр.Всеизвестен факт е че два еднакво конструирани и произведени екземпляра от един и същи модел на локомотив винаги имат макар и минимална разлика , изразена чрез различно напасване на предавките , или смазването на частите , или консумацията на ел.двигателчетата и т.н. Комплекса от тези индивидуални особености или белези водят до различно движение на релсовия път на два еднакви модела.Когато те се движат самостоятелно това не е проблем , но когато са в тамдем – винаги се получава така , че един тегли , друг го „спира” и т.н.
Та точно цифровизацията е дала възможност , тези проблеми да бъдат избегнати от американците – тя позовлява именно чрез индивидуалните настройки на параматрите изброени по-горе , да се постигне абсолютно еднакава работа на две „различни” машини. Перфектната работа в тандем , вече се определя от наблюдателността и умението за програмиране на моделиста и не зависи от еднаквостта на машинките.
Освен дешифраторите , вграждани в подвижния състав , съществуват и такива предназначени за употреба в „неподвижнити” обекти.Например се ползват при управлението на стрелки , кранове , семафори , светофори , прелези , обръщателни кръгове и т.н.Най-простите изпълняват само две команди , стрелка в ляво –стрелка в дясно ,или пък включи / изключи осветлението.Следват по – сложните .Управляващи няколко стрелки , или имащи възможност за повече от две команди.Най-сложните освен че изпълняват команди , подават обратна информация към пулта за управление за своето моментно състояние.Въобще и тук , както навсякъде в електрониката , се оказва , че функцийте им са единствено ограничени от виждането и конструкторските умение на създателя им.
В някой от следващите дни , ще направя и по-конкретно представяне на параматрите на пакета от данни , или начина на сформирането на нулите и единиците в него , което също е подчинено на определени изисквания , като това ще е част от елементарно електронно блокче за управление на локомотиви . Но както казват – това ще е предмет на друга тема.
Ако имате въпроси ,надявам се да мога да ви отговоря – ще се учим взаимно и заедно...
Ами това е в общи линии основата която да послужи и като начална отправна точка в търсене на въпроса – „Какво е цифрово управление и има ли почва то , в мойта глава!?”.Надявам се че съм го описал на ясен език (и не съм допуснал някаква грешка...) и дано да ви е в помощ , особено на такива като мен , дето още не сме си купили първия блок от бъдещата ни система за цифрово управление.
Във следващите части на това писание , смятам да поместя (най-вероятно в съкратен вид ) основните положения залегнали в стандартите на NMRA по цифровизацията , както и практически стъпки в употребата на основно познати фабрично произведени елементи , употребявани в железопътния моделизъм.
Образоването ми по тази тема продължава , дори си мечтая за наш си, български клон , създадена от нас и изразяващ се в българска компютърна програма (на роден език) и наши си , конструирани от нас , и прилагании от нас , електронни блокове , така както си го правят някой напреднали в моделизма клубове и страни!!!
;D ;D ;D ;D ;D
XRISTO:
Йеее! Рach,благодаря ти,братле!Откога чаках някой да сподели нещо подобно!За мене беше супер полезно,надявам се и за другите.Ако имаш някаква информачия относно предлаганите декодери,за кои локове са подходящи и с централите на кои фирми се стиковат най-добре.Това,смятам,ще е също много полезно. ::)
И пак:
-Шапка ти свалям за чудесната идея да споделиш тази информация! :)
Maktub:
Pach, нямах време да изчета статията, но довечера ще я разнищя подробно. Сигурен съм, че ще бъде от голяяяяяма полза. А като гледам обема, направо си плаче за ISDN! Мерси.
pach:
Радвам се,че мога да бъда полезен.Но хубавите работи - бавно стават .Ще има продължение със всички екстри , за които си мислите и питате .Само малко търпение , че времето ми става все по кът...
;D
Навигация
[0] Списък на темите
Премини на пълна версия