Idee
Beim Testbetrieb hat es sich gezeigt, daß es hilfreich ist, wenn man die Booster-Situation(en)
schnell im Blick hat und desweiteren über die Trafo-
/ Signalspannungen immer informiert bleibt.
Ferner ist es wünschenswert, wenn auch andere Anlagenkomponenten
(Devices) z.B. in ihrem "ein / aus" - Zustand oder ihrem max.
abgegebenen Strom im Blick des Nutzers wären.
Zur gewünschten Informationsbeschaffung bedarf es hierzu, ohne
Hilfen, "einiger
Verrenkungen" zum Ablesen von LEDs sowie Messungen mit dem Instrument; von schnell kann
da dann keine Rede sein.
Aus diesem Grunde wurde die Idee geboren, eine Power, Limit und
Device - Überwachung zu entwickeln, die ständig die Zustände überwacht und
bei Problemen die entsprechenden Module in einem Display benennt.
Oft benannte andere Methoden, wie Lampen / LED -
Anzeigen, etc. habe ich gedanklich nicht weiter verfolgt, da sie
mir in Bezug auf die Anzeigefläche im Vergleich mit einem
LCD-Display zu groß ausfallen. Auch ist eine flexible textliche
Anzeige schwer zu realisieren.
Aufgabenstellung / Funktion
Ich habe drei Kategorien definiert, die überwacht werden
sollen. Diese sind ...
- die Versorgungstrafos (Power), also deren Spannungszustand -- denn
die verwendeten Trafos haben zwar eine Sicherung pro Ausgang,
nicht aber eine optische Anzeige.
- die von den verwendeten Boostern bereitgestellten Limits für
Power (Schienenlast) und Temperatur (des Boosters) zu
überwachen. Evtl. können auch noch andere Geräte in diese Gruppe
mit einbezogen werden; z.B. bei dem Stromfluß.
- die Überwachung von sonstigen Modulen (Devices) auf der Anlage in
Bezug auf ihre Funktion; z.B. "ein - aus" Zustand.
Desweiteren habe ich die folgenden
System- Zustände festgelegt, die zur Anzeige gebracht werden
sollen ...
- System OFF ---
alle Spannungen (Trafos) sind ausgeschaltet oder ausgefallen
- System ON
--- es wurden keinerlei Probleme erkannt
- System Check --- es wurde min.
1 "Modul"-Problem erkannt >> System überprüfen
- System Warning --- es wurde min. 1 Limit-Problem
erkannt >> Betrieb prüfen
Alle System- / Anlagen - Zustände werden mittels eines LCD -
Displays angezeigt, und zwar in den Stufen ...
- System Initierung
- Allgemeine System - / Anlage Information mit den obigen
Informationsinhalten
- Detailinformation mit Angabe des Moduls / Geräts, bei dem
ein Problem erkannt wurde
Hier einige Display-Bilder vom
Laboraufbau zur Demonstration der Anzeige-Varianten ......
(zur Vergrößerung das Bild bitte
anklicken)
Das LCD wurde hier im Test mit
farbiger und ohne Hintergundbeleuchtung betrieben. Im Projekt -
Einsatz wird die farbige Hintergrundbeleuchtung eingesetzt.
Laboraufbau (MASTER, SLAVE, LCD)
Initierung (Start nach Power On)
System ON
System Failure (Power Ausfall)
System Warning (Limit Problem)
System Problem (Device Problem)
Check System (Problem in mehreren Bereichen)
Stop Operation (Problem in allen Bereichen)
Detail-Info (Objektanzeige)
Alle Objekte angezeigt
System OFF (alle POWER ist abgeschaltet oder ausgefallen)
Hier einige Bilder vom fertigen Aufbau
....
Bedienpult (Stellpult) mit integriertem
Touch-Display der Signalüberwachung.
Überwachungsmodul welches über die DIP
Schalter als Master (mit Display - Ansteuerung) oder als Slave
in der Funktion und Arbeitsweise eingestellt werden kann.
Das Master - Modul kommuniziert mit den
Slave - Moduln als auch mit dem Display. Ferner übernimmt es
auch selbst Leitungsüberwachungsfunktionen.
Funktionsweise
Die Module / Geräte, Booster, Trafos, etc. , welche überwacht
werden sollen, werden über eine Signalleitung an die Überwachung
angeschlossen.
Ändert sich der Signalleitungszustand von seinem OK -
(Grund-) Zustand, dann wird dies registriert und zur Anzeige
gebracht.
Zuerst erhält der Nutzer eine Information
über die Problemart, nach Betätigen (Bestätigung) des
TouchDisplays wird in den "Detailmode" umgeschaltet und das
betroffene Objekt namentlich angezeigt
Liegen zeitgleich mehrere Probleme an, dann
werden pro "Power", "LIMIT" und "DEVICE" jeweils max. 5 Objekte
ermittelt und zur Anzeige gebracht; wo sie vom Nutzer der Reihe
nach durch Betätigen des TouchScreens betrachtet werden können.
Bestehen bei mehr als 5 Objekten innerhalb
einer Gruppe Probleme, dann kommen die nächsten in der Folge zur
Anzeige. Sollte es sich um temporäre Erscheinungen handeln, so
erfolgt in diesem Fall keine Anzeige.
Jedes Objekt wird nach der Anzeige
("Bestätigung") aus der Anzeigeliste gelöscht.
Wurde das Problem zwischenzeitlich nicht behoben, dann kommt das
Objekt wieder zur Anzeige.
Hinweis:
Die Grundüberlegung beim Entwurf dieses Überwachungssystems war
es, daß nicht alle Komponenten gleichzeitig ausfallen.
Deshalb wurde eine Limitierung in der Anzeige-Erfassung
akzeptiert..
Lösung / Aufbau des Überwachungssystems
Grundsätzliches:
Die Erfassung und Überwachung der Zustände erfolgt über das
Auswerten eines Stromflusses auf einer jeweils eigens pro zu
überwachendem Modul / Gerät bereitgestellten Signalleitung, welche
an einem µ-Prozessor (pic) Eingang angeschaltet ist.
Hierbei kann wie z.B. bei einem Trafo bedeuten > Stromfluß
vorhanden -- Gerät ok
ODER
wie bei einer Limitüberwachung > Stromfluß -- Betrieb / Gerät
prüfen (Problem).
Es ist klar, daß die µ-Prozessoren immer nur eine recht
begrenzte Anzahl von sog. Ports (input / output) haben, je nach
Typ ist deren Anzahl unterschiedlich.
In jedem Fall reichen sie nicht aus, daß alle Signalleitungen
einer Anlage an einem µ-Prozessor angeschlossen werden können.
Aus diesem Grunde wurde das Überwachungssystem so konzipiert,
daß es modular konfiguriert werden kann.
Konfigurationsgedanke:
Die verwendeten µ-Prozessoren selbst stellen zwei Bussysteme zur Verfügung;
den I2C - Bus und den SPI - Bus, die zu einer Vernetzung von
mehreren µ-Prozessoren zu einem System geeignet sind.
Aufgrund der Auswahl des LCD-Displays > EA DOGM128-6 *
mit dessen Controller ST7565R * <, aus dem
Hause ELECTRONIC ASSEMBLY GmbH, kann nur noch der I2C - Bus
zur Vernetzung der µ-Prozessoren verwendet werden; der
LCD-Controller verlangt zwingend den SPI - Bus.
Der I2C Bus verlangt einen MASTER, der die am Bus
angeschlossenen SLAVES abfragt.
Um die Entwicklung, den Bau- / Nachbau der Platinen und die
Programmierung der µ-Prozessoren zu vereinfachen und zu
vereinheitlichen, habe ich mich entschieden, daß alle Komponenten
des Überwachungssystems (HW und SW) gleich ausgestaltet werden.
Als µ-Prozessor wurde der PIC 18F4550 * von der Fa.
microchip und die Programmiersprache C ausgewählt.
Die Auswahl, welche Komponente nun MASTER und welche SLAVE ist,
erfolgt über einen 4 poligen Adress - DIP-Schalter auf der Platine.
Ist der Schalter in allen Positionen auf 0 (off) gesetzt, dann
fungiert diese Komponente als MASTER mit angeschlossenen
SLAVES.
Ist der Schalter in allen Positionen auf 1 (on) gesetzt, dann
fungiert diese Komponente als MASTER ohne angeschlossene
SLAVES; also alleine.
Ist der Schalter in einer anderen als den vorgenanten Positionen
eingestellt, so wird damit die Komponenten - Funktion als SLAVE
markiert. Hierbei übernimmt die Kombination der Schalterstellungen
(in hexadezimaler Darstellung !!!) gleichzeitig die Adressbildung
für diesen SLAVE.
An die Komponente, die als MASTER fungiert ist dann auch das
LCD-Display bzw. dessen Platine über ein separates Flachbandkabel
anzuschließen.
Ausbau:
Aufgrund der vorgenannten Gegebenheiten können an einen
µ-Prozessor, d.h. an den MASTER bzw. jeden SLAVE, noch jeweils 11
Signalleitungen zu Überwachung angeschlossen werden.
Bedingt durch den Speicherumfang des µ-Prozessors sowie der
BIT-Map-Darstellungen (LCD) und der Aufnahme / Speicherung der
Anzeigetexte, die ja aus den Gründen der Vereinheitlichung in
allen µ-Prozessoren gleich vorhanden sind, lassen sich an
den MASTER noch max. 5 SLAVEs anschließen.
Dies bedeutet, daß das Überwachungssystem im gegenwärtigen
Entwicklungs- und Konfigurations- Stand (2012)
max. (5+1) * 11 = 66 Signalleitungen überwachen kann.
Hinweis
Müssen mehr Signalleitungen überwacht werden, so kann man das
System natürlich auch mehrfach einsetzen (mehrere LCDs)
Aufgrund der Anzahl der pic-Eingänge können bei Wegfall der LCD
Anschaltung zwar einige Eingänge für Signalleitungen zusätzlich
genutzt werden, jedoch steigt die Anzahl nur minimal und eine
damit verbundene Umentwicklung und die damit entstehenden
verschiedenen HW / SW-Varianten stehen in keinem guten Verhältnis
zueinander.
individuelle Anzeige - Texterfassung:
Es stehen hierfür 3 Dateien zur Verfügung.
In die "erste Datei" (LCD-System_Texte_I.h)
werden die mehr allgemeine Anzeigeinformationen eingetragen, wie
...
- globale System- / Anlagen- Zustände
- Kategorien (s. oben)
Die "zweite Datei" (LCD-System_Texte_II.h)
umfaßt Informationen, die mehr Anlagenspezifisch
ausgerichtet sind, wie ...
- die Namen der zu überwachenden Trafos, Booster, Module /
Geräte
- sowie Texte, die einen Funktions-Zustand dieser Objekte
beschreiben (Signalgruppe) (max. 5 Funktions- /
Gruppen- Texte sind möglich).
In der "dritten Datei" (Signal_II.h) wird
die Konfiguration jeder Signalleitung (pro µ Prozessor-Port)
vermerkt; d.h. Informationen darüber ...
- welcher elektr. Zustand ist der OK - Grund- Zustand
- welcher Anzeigetext und damit welches Objekt ist mit dieser
Signalleitung (= µ-Prozessor- Port) verbunden.
- welche Zustandsinformation soll für diese Signalleitung
angezeigt werden; d.h. indirekt welche Funktion übernimmt diese
Signalleitung
- welcher Signalgruppe / Kategorie gehört diese Signalleitung
an.
Diese Texte können OHNE Programmierkenntnisse geändert werden,
allerdings benötigt man hierzu das von der Fa. microchip frei
erhältliche SW - Tool "MPLAB IDE" * zum
Compilieren, etc. als auch das
kostenpflichtige Tool
"MPLAB ICD.." * zum "brennen" (programmieren / laden) der
µ-Prozessoren.
Die µ-Prozessoren können direkt im eingesteckten Zustand auf
der Platine (on board) "gebrannt" werden. Damit sind auch später
leicht textuelle Änderungen durchführbar. Es werden nur die Texte
verwendet die auf dem MASTER jeweils hinterlegt sind !!
Anmerkung:
Eine Bereitstellung der Texte innerhalb / auf einer separaten
Textdatei ist zwar prinzipiell möglich, würde aber einen weiteren
Anschluß, z.B. USB / COM erfordern, um die Texte von einem PC
übernehmen zu können.
Dies bedeutet, daß eine komplett
andere Architektur gewählt werden müßte, die zusätzlichen Aufwand
in Entwicklung und Wartung bedeutet.
Ich habe mich aus diesen Gründen --
für meine private Anwendung -- gegen eine solche
umfangreiche Lösung entschieden.
Kommunikationsaufbau / Verdrahtung:
Der hier verwendete I2C-Bus ist zwar in
seiner ursprünglichen Auslegung nicht optimal zur
Überbrückung großer Entfernung ausgerichtet, jedoch wurden auf den
Platinen spezielle Bausteine integriert, die eine Kommunikation
über größere Entfernungen unterstützen.
Im Laborbetrieb wurde problemlos mit einem Flachbandkabel eine
Entfernung von ca. 12 m überbrückt.
Beim Aufbau (Montage,
Verdrahtung) ist daher ein besonderes Augenmerk auf mögliche
Störquellen zu richten und diese abzuschirmen.
Objektüberwachung / Signalleitungen:
Die zu überwachenden Signalleitungen
(Objekte) haben recht unterschiedliche
Spannungshöhen, so z.B. LED Spannungshöhe von DC 5 V oder
Trafo-Spannungshöhe von AC 15V.
Auf den Platinen müssen deshalb die Vorwiderstände, die sich
vor den Optokopplern befinden, so angepaßt werden, daß die
OptoKoppler nicht mit einem unzulässig hohen Strom betrieben
werden (s. Schaltungshinweise).
Die örtliche Plazierung der Überwachungs-Komponenten ist auf
jeder Anlage unterschiedlich und hängt auch sehr stark von der
max. zulässigen Signalleitungslänge ab.
LCD - Anzeige:
Wie bereits weiter oben erwähnt, kann der Nutzer die jeweils
nächste Detail - Information gezielt abrufen oder zurück auf die
"globale" Informationsanzeige wechseln.
Diese Aktionen erfolgen per "Tastendruck", wobei es zwei
grundsätzliche Möglichkeiten gibt
- der Einsatz eines "Touch-Screen" Vorsatzes vor dem LCD
Display
- der Verwendung von zwei separaten Tastern
Ich habe mich für den "Touch-Screen" Vorsatz
entschieden. Er erscheint mir das "zeitgerechtere
Kommunikationsmittel" für diese Anwendung zu sein.
Alternativ können zwei Taster (mit Widerständen) den
"Touch-Screen" ersetzen.
Anmerkung:
Im vorliegenden Überwachungssystem kann an einen MASTER nur ein
LCD Display angeschlossen werden.
Prinzip - Zusammenfassung:
Eine Signalleitung gibt Auskunft über EINEN Objektzustand, sie
markiert damit den Gesamtzustand des Objekts oder einer
Objekt-Teilfunktion.
Will man von einem Anlagenobjekt mehrere Funktionen überwachen, so
benötigt man also pro Funktion eine Signalleitung.
Die Signalleitung nimmt immer einen Grundzustand ein, der als OK
definiert ist. Eine Abweichung stellt ein Problem dar, auf das es
zu reagieren gilt.
Der Grundzustand kann wahlweise als "Spannung on" gleich
"Stromfluß" oder "Spannung off" gleich "kein
Stromfluß" festgelegt werden.
Jede Signalleitung ist frei wählbar an einen µ-Prozessor-Port
anschaltbar.
Für jede Signalleitung können textuelle Anzeigeinformationen frei
definiert bzw. bestehende können diesen frei zugeordnet werden.
Für jede Signalleitung ist bei der
Konfiguration festzulegen, welche der obigen Situationen ist der
Grundzustand der Leitung. Diese Festlegung ist einzutragen.
Nach jeder Konfiguration / textlichen Änderung in einer der obigen Dateien MUSS
der gesamte Code (Programm) im Modus "Reales" neu
kompiliert und
assembliert ("Build All..") und anschließend auf den µ-Prozessor
"gebrannt" werden.
Anmerkung:
Um diese Vorgänge auszuführen, sollten bei dem Nutzer bereits
einige Kenntnisse über diese Techniken vorliegen. Sie zu erwerben
ist nicht Gegenstand dieser Seiten oder des Programms.
Spannungsversorgung
Dieses Modul (MASTER und SLAVEs) benötigt eine 15 V AC (Trafo-) Spannung. Auf der
Platine wird diese in eine DC Spannung umgewandelt und in den
benötigten Spannungshöhen über entsprechende Spannungsregler
stabilisiert
zur Verfügung gestellt.
Der max. Strom des Wandlers beträgt 1 A DC,
wird aber hier nicht ausgenutzt.
ACHTUNG
bei Dauerbetrieb wird
der in den Regler integrierte und herausgeführte Kühlkörper warm !!!
Damit eine einwandfreie Kommunikation zwischen MASTER und den
SLAVES erfolgen kann, müssen alle Komponenten aus einer
Spannungsquelle (Trafo) versorgt werden !!!
Einsatz sowie Ausschluß von Haftung
und sonstigen Ansprüchen
Die folgenden Darstellungen dienen zur Information, wie in
meinem Projekt spezielle Aufgabenstellungen gelöst wurden.
Diese Informationen und Arbeitsergebnisse sollen ausschließlich
private Modelleisenbahner in der Durchführung ihres Hobbies
unterstützen.
Die Schaltungen sind NUR für den Einsatz auf Modelleisenbahnen im
Niederspannungsbereich und für temperierte, trockene Wohnräume
ausgelegt.
Allerdings kann ich keinerlei Gewähr für die
Funktionsfähigkeit in allen Situationen und Einbauvarianten
übernehmen. Ferner kann ich auch keine Haftung übernehmen, die aus
der Verwendung / Einsatz der Ideen bzw. Arbeitsergebnisse
ableitbar sind. Analoges gilt für alle sonstigen möglichen
Ansprüche, die in direktem oder indirektem Zusammenhang mit dem
Betrieb stehen.
Der Nutzer dieser Informationen akzeptiert diesen Ausschluß und
trägt alleine das Risiko einer Verwendung auf seiner
Modelleisenbahn.
Eine Verwendung dieser Ideen bzw. von Arbeitsergebnissen, in
Gänze oder Teilen, ist für jegliche Art von kommerziellen Zwecken
nicht gestattet.
--- weitere
Informationen zur Nutzung von meinen Ideen findet der Leser
hier ---
---
mit der Nutzung werden diese
Regeln automatisch anerkannt ---
µProzessor
- Programmierung
Dieses Modul verwendet einen µProzessor. Zum Einsatz
gelangt eine Variante aus der Microchip * Familie PIC
18F 4550 *.
Für die Software-Entwicklung stellt die Fa. Microchip
kostenfrei eine "Studentenversion" des C - Compilers zur
Verfügung, mit welcher das hier verwendete Programm entwickelt,
getestet und in Assembler transferiert wurde.
Mit einem käuflich zu erwerbenden Microchip Debugger - System,
welches hier eingesetzt wurde, kann das Programm direkt in den auf
die Platine gesteckten Chip gebrannt und dort auch in der
Hardware-Umgebung getestet werden.
Eine Verwendung des von Jens Mohr entwickelten Programms, gleich in welcher
Software - Sprache, ist nur für private Zwecke
gestattet.
Bei Bedarf kann das Programm privaten Modelleisenbahnern auf
Anfrage als Datei zur Verfügung gestellt werden.
Der Nutzer muß sich allerdings selbst um die Infrastruktur
kümmern, um das Programm in den µ Prozessor gebrannt zu bekommen.
Der Nutzer ist selbst verantwortlich für
Änderungen oder sich durch die Handhabung evtl. einstellendes
Fehlverhalten. Von mir wird keinerlei Garantie übernommen, daß
sich bei Verwendung dieses Programms der vom Nutzer gewünschte
Effekt / Erfolg einstellt. Mit Inbetriebnahme / Nutzung des
Programms akzeptiert der Nutzer den Ausschluß jeglicher Haftung
seitens des Erstellers.
PLD
- µProzesor Schaltung
Ein Nachbau ist nur für private Zwecke
gestattet.
Die Schaltung wurde mit dem Programm EAGLE * erstellt. Bei Bedarf
kann die Schaltung privaten Modelleisenbahnern auf Anfrage als
Datei zur Verfügung gestellt werden.
Es wird allerdings eine Lizensierte EAGLE* Version 5.11.oder höher
benötigt.
Um die Schaltung zu betrachten, bitte das Bild
anklicken
PLD
- LCD Schaltung
Ein Nachbau ist nur für private Zwecke
gestattet.
Die Schaltung wurde mit dem Programm EAGLE * erstellt. Bei Bedarf
kann die Schaltung privaten Modelleisenbahnern auf Anfrage als
Datei zur Verfügung gestellt werden.
Es wird allerdings eine Lizensierte EAGLE* Version 5.11.oder höher
benötigt.
Um die Schaltung zu betrachten, bitte das Bild
anklicken
PLD
- µProzesor Platinen-Lay-Out
Ein Nachbau ist nur für private Zwecke
gestattet.
Das LayOut wurde mit dem Programm EAGLE * erstellt. Bei Bedarf
kann das LayOut privaten Modelleisenbahnern auf Anfrage als Datei
zur Verfügung gestellt werden.
Es wird allerdings eine Lizensierte EAGLE* Version 5.11.oder höher
benötigt, wenn Änderungen vorgenommen werden sollen.
Aus dieser Datei lassen sich durch professionelle Anbieter direkt
Platinen (Leiterplatten) fertigen.
Um das LayOut zu betrachten, bitte das Bild
anklicken
PLD
- LCD
Platinen-Lay-Out
Ein Nachbau ist nur für private Zwecke
gestattet.
Das LayOut wurde mit dem Programm EAGLE * erstellt. Bei Bedarf
kann das LayOut privaten Modelleisenbahnern auf Anfrage als Datei
zur Verfügung gestellt werden.
Es wird allerdings eine Lizensierte EAGLE* Version 5.11.oder höher
benötigt, wenn Änderungen vorgenommen werden sollen.
Aus dieser Datei lassen sich durch professionelle Anbieter direkt
Platinen (Leiterplatten) fertigen.
Um das LayOut zu betrachten, bitte das Bild
anklicken
