Dr. König´s Märklin-Digital-Page


Hardware-Digitalzentrale mit altem Laptop: LapCU

Problem

Im Bereich des Märklin-Digitalsystems gibt es im Gegensatz zu Dekodern keine Hardware-Digitalzentrale mit einem für das "tägliche Spielen" ausreichenden Funktionsumfang für wenig Geld. Auch im Selbstbaubereich sind es nicht gut aus. Diese Lücke soll meine auf einem alten aufbauende Digitalzentrale LapCU schließen. Sie besitzt folgende Eigenschaften:

Löung

Die Beschreibung und Bauanleitung ist in MIBA Extra "Modellbahn digital " 4/2003, S.90 veröffentlich. Eine ausführlichere Beschreibung und Anleitung werde ich hier demnächt veröffentlichen. Vorerst gibt es hier als download neben der nachfolgenden Einleitung nur die aktuellen Schaltpläne, Platinenlayouts und Bestückungspläne, die erforderliche Software sowie die . Bauteileliste

Einleitung

Da "der" digitale Modellbahner bei seiner Digital-Zentrale Wert auf eine taktile Benutzerschnittstelle, also auf althergebrachte Knöpfe, Tasten und Schalter unter Vermeidung eines PC-Bildschirms nebst Tastatur, legt, kommt man zwingend zu dem Gedanken, an einen PC eine entsprechende "Konsole" anzulaschen, die allein von dem Digitalo traktiert wird. Im Idealfall verschwindet der PC im Untergrund bzw. dient als ausrangierter Laptop nur als auch mechanische Unterlage für die allein ins Auge stechende Bedienkonsole. Ein ausrangierter Rechenknecht als Basis für dieses Selbstbau-Digitalzentrale hat den weiteren Vorteil der - zumindest bei maschinennaher Programmierung - erheblichen Rechenleistung sowie dank der von hause aus gegebener Speichermöglichkeit auf Diksette oder Festplatte der Einfachheit der Parametrisierung des Geräts. Denn wenn man einmal beispielsweise die IntelliBox geöffnet und deren elektronische Innereien inspiziert hat, wird erkennbar, mit welchem elektronischen Aufwand deren Funktionalität erkauft wird. Von nichts kommt nichts und allein mit einem schmalbrüstigen PIC ist, wenn das Ergebnis überzeugen soll, auch hier kein Staat zu machen.
Um Platzaufwand, Lärm, Abwärme und Energieverschwendung in Grenzen zu halten, kommt ernsthaft aber nur ein Laptop und kein alter Desktop- oder gar Tower-PC in Frage. Dies dürfte aber da geringste Problem sein, denn dank des inflationären Anstiegs der Anforderungen "moderner" Software und der widerstandslosen Bereitschaft offenbar der Mehrzahl der Anwender, diesen Anforderungen zu willfahren, gibt es für das sprichwörtliche Taschengeld beispielsweise bei ebay jede Menge alter und älterer Laptops. Hierbei eröffnet der Verzicht auf eine typischerweise leistungshungrige Bildschirmdarstellung die Möglichkeit, bei geschickter Programmierung auch längst togeglaubte Veteranen mit alten, der Mehrzahl der heutigen Anwender nicht einmal mehr namentlich bekannten Prozessoren bis herunter zum 80286 zu nutzen. Es ist keine Seltenheit, daß solche Veteranen nicht oder nur zu einem Preis verkauft werden können, der deutlich unter dem der Transportkosten liegt. Damit ist das bislang nur in Gedanken existierende Gerät auch schon getauft - Laptop-CU oder kurz: LapCU.

Nachdem diese Hardwarebasis geklärt ist, stellt sich die Frage nach der zu realisierenden Funktionalität. Hier muß natürlich die Zielgruppe, also die "Marktlücke", beachtet werden. Ziel kann nicht eine funktional der IntelliBox gleichwertige Hybrid-Zentrale sein. Denn deren umfassende Funktionalität erfordert auch im Selbstbau einen entsprechenden Aufwand, der in Zahlen ausgedrückt und die in jedem Fall erforderliche Eigenleistung es ratsam erscheinen lassen, gleich zum industriellen Fertiggerät zu greifen. Auch halte ich es für falsch, den ambitionierten, nahezu schon professionellen Digitalo als Maßstab heranzuziehen. Mag dieser Herr über 100 digitalisierte Loks und 20 gleichzeitig fahrende Züge den im Vergleich mit seinen bereits getätigten Ausgaben vergleichsweise geringen Obulus an Märklin, Uhlenbrock oder wen auch immer entrichten. Gefordert ist also ein Gerät, das zwar die Nutzung aller bekannten Features des Märklin-Digitalsystems ermöglicht, aber zugunsten einer einfachen Bedienung komplizierte und in der Praxis wenig benutze Gimmicks - ich denke beispielsweise an eine automatische Doppeltraktion, die meiner Erfahrung nach nur die Gefahr von Unfällen vergrößert - vernachlässigt. Andererseits läßt sich die Zahl der Regler, also die der gleichzeitig "aktiv" steuerbaren Loks, ohne erheblichen Kostenaufwand vergrößern, was dem Komfort und auch der Spielmöglichkeit - mit Gleichgesinnten - deutlich förderlicher ist. Und wenn wir schon beim Selbstbauen sind, dann sollten wir auch die Möglichkeit haben, ohne weitere Investitionen den Regler in die Hand zu nehmen und uns dahin zu begeben, wo die Eisenbahnmusik spielt.

Unter weiterer Berücksichtigung der Maxime, daß sich dies alles selbstverständlich im niedrigpreisigen Bereich abspielen muß, habe ich als Kompromiß folgendes Konzept erarbeitet:

Die Mobilität erreichen wir aufgrund der Vorgabe des kleinen Preises natürlich nicht über Funk. In der Praxis zuverlässige Funklösungen sind, wie der auf der Messe vorgestellte Funkhandregler von ESU zeigt, keine trivialen und mit dreifuffzich auf der Bastelkiste realisierbare Erzeugnisse. Eine IR-Fernbedienung würde zwar eher im Bereich des finanziell Möglichen liegen. Neben den Unsicherheiten einer IR-Fernbedienung in der Praxis - bekanntlich muß man doch recht genau auf den Empfänger zielen, um einigermaßen sicher zu sein, daß das Kommando auch empfangen wird, und diese Unsicherheit ist schlicht zu groß, um das Wohl und Wehe auch der billigsten Modelle davon abhängig zu machen - muß man aber für die Gewährleistung kurzer Reaktionszeiten einigen technischen Aufwand betreiben, der zusammen mit dem Erfordernis des "aktiven" Handreglers und dessen Stromversorgungsproblematik eine solche drahtlose Fernbedienung als im Rahmen diesen low-cost-Projekts unangemessen aufwendig erscheinen läßt. Auch wenn ich nach wie vor von einer erschwinglichen Funkfernsteuerung träume, habe ich mich hier für eine schnöde aber auch 100% zuverlässige und sichere und natürlich extrem billige Kabelverbindung entschieden. Um aber das Beste daraus zu machen kann man die Handregler auf die LapCU "aufsetzen" und deren "Basiskabel", dessen Länge etwa 1,50 m nicht überschreiten sollte, in das Gehäuse der LapCU schieben. Reichen diese 1,50 m nicht aus, läßt sich durch einfachen Einsatz eines Verlängerungskabel einige Meter an Mobilität gewinnen, was zwar nicht für Austelllungsanlagen aber sicherlich für die heimatliche Modellbahn ausreichend ist.
Der Beschränkung der Adressen resultiert aus der Feststellung, daß eine durch externe Hardware erfolgte Adreßeinstellung nach dem Beispiel etwa der IntelliBox vergleichsweise aufwendig und teuer ist. Unter Berücksichtigung der Zielgruppe erscheint es mir unangemessen, daß ein erheblicher, wenn nicht gar überwiegender Teil der Kosten auf die Möglichkeit, wahlfrei 256 Adressen einzugeben, entfällt, obwohl die große Mehrheit der Digitalfahrer nur eine Handvoll Loks besitzt. Das Konzept der Delta-Control von Märklin, über einen Drehschalter 4 bzw. 5 Adressen auswählen zu können, ist grundsätzlich gar nicht so verkehrt, wenngleich sicherlich Einigkeit besteht, daß sowohl die Beschränkung auf nur vier bzw. fünf Adressen, in jedem Fall aber die Beschränkung auf die werkseits vorgegebenen Adressen (die Möglichkeit, das Gerät nachträglich und teilweise "aufzubohren", wie man es auf meiner Homepage - über www.drkoenig.de erreichbar - nachlesen kann, ist keine ernsthafte Alternative) die praktische Tauglichkeit doch arg beeinträchtigt. Ich habe mich daher dafür entschieden, mittels handelsüblicher und preiswerter 12-Stufen-Drehschalter eine von zwölf Adressen auswählen zu können, wobei man aber jede dieser zwölf Adressen beliebig einstellen kann. Dank des modularen Aufbaus der Laptop-CU ist damit aber noch nicht das letzte Wort gesprochen: Es gibt durchaus alternative Lösungen, die ihre eigenen Vorteile und Nachteile besitzen. Wer also jetzt schon mit nur 12 aus 256 (das ist kein Schreibfehler - die LapCU kann wirklich 256 Adressen, nämlich auch die Adresse 00 - eigentlich 80 - ansteuern) Adressen nicht hinkommt, soll sich noch etwas gedulden. Der weitere Vorteil dieser Adreßauswahl ist, daß man sich nach erfolgter Einstellung der Preset-Adressen keine Adreßnummern merken muß. Man schreibt einfach die Betriebsnummer der Lok auf die LapCU oder malt ein symbolisierendes Bildchen auf ...
Die Weichensteuerung ist nicht Gegenstand dieses Beitrags. Ich habe mir aber ein der LapCU adäquates Konzept überlegt, das es ermöglicht, allein mit handelsüblichen und als Restposten auch sehr preiswert erhältlichen Kippschalten ein einfaches, den Anforderungen des spielerischen Alltags jedoch genügendes Switchboard aufzubauen. Die Schaltung der LapCU ist für den Anschluß dieser zusätzlichen Elektronik vorgesehen; die Software wird beizeiten entsprechend ergänzt.

Um den Aufbau und eine mögliche Fehlersuche zu vereinfachen, zur größeren Flexibilität auch in Hinblick auf eine mögliche spätere Erweiterung und natürlich auch aus konstruktiven Gründen habe ich mich zu einem modularen Aufbau entschieden.

Hierbei sind die zentrale Steuerung und der Booster auf einer vergleichsweise großen Platine angesiedelt; sie können aber, falls erforderlich oder gewünscht - auch getrennt und separat montiert werden. In diesem Fall werden sie durch ein fünfadriges Kabel verbunden. Andernfalls genügen fünf Kurschlußstecker, eine zweckentfremdete Steckbuchse oder fünf eingelötete Drahtbrücken. Ist bereits ein externer Booster vorhanden und soll dieser angesteuert werden, so bietet die Software die Möglichkeit, das Digitalsignal auch am seriellen Ausgang des Laptops auszugeben. Die zentrale Steuerung enthält auch den Anschluß an den Laptop über ein handelsübliches Parallelport-Kabel sowie die Anschlußmöglichkeit für die spätere Weichensteuerung/Switchboard. Der Booster seinerseits sieht den Anschluß von zwei - umgebauten - 32VA-Märklin-Trafos vor und führt natürlich das Digitalsignal an das Gleis heraus.
Die vier Handregler sind nicht direkt an die zentrale Steuerung angeschlossen. Es erschien mir konstruktiv sinnvoller - und vereinfachte zunächst auch das Platinenlayout - die hierfür erforderliche Elektronik auf eine eigene Platine auszulagern, die weit "hinten" im Gehäuse und über der Steuerplatine montiert werden kann, damit es möglichst wenig Probleme beim Einschieben der Kabel gibt. Der Handregler weist als Bedieninstrumente jeweils ein Potentiometer, einen Taster für die Fahrtrichtungsumkehr, einen Taster für die Sonderfunktion und eine LED für die Anzeige deren Status´ an. Es gibt eigentlich keinen zwingenden Grund für diese Status-LED, denn üblicherweise schaltet die Sonderfunktion das Licht und es ist daher augenfällig, ob die Sonderfunktion aktiviert ist. Aber da diese Status-Anzeige absolut üblich ist .... Da es regulär keine Potis mit einem links schließenden (oder öffnenden) Tasterkontakt gibt (die Potis mit Schaltfunktion sind nicht sehr brauchbar, weil man den Potiknopf nicht nur in die Schalterstellung drehen und "einrasten" sondern auch selbst/aktiv zurückdrehen muß), führt kein Weg an dieser etwas umständlichen Bedienung vorbei. Trotz der viefältigen Funktionalität des Handreglers kommen wir infolge einer trickreichen Schaltung mit nur vier Anschlüssen aus; es genügt also ein vieradriges Kabel. Damit genügend Kabel im Gehäuse Platz findet, empfiehlt es sich dringend, hierfür normale Computer-Flachbandleitung, die es gleichfalls als Resposten oft sehr billig gibt, zweckzuentfremden, indem man einfach vier Adern breite Streifen abtrennt. Der Anschluß erfolgt zweckmäßigerweise mit den aus dem Telefonbereich her bekannten Western- oder Modularsteckern, wobei die 4/6-polige Ausführung genügt.
Die vier Extrafunktionen werden wie bei den bekannten Industriegeräten durch vier Tasten geschaltet und ihr Status durch jeweils eine LED je Extrafunktion angezeigt. Da LapCU vier Regler unterstützt, sind dies 16 Taster und 16 LEDs, die schon die ganze Breite sowohl des kommerziellen "IB"-Gehäuses als auch des Selbstbau-Gehäuses, das sich an der Europakarten-Platinenlänge der Platinen von 16cm orientiert, benötigen. Auch bei den Tastern habe ich aus Platzgründen auf bekannte Typen aus den Industriegeräten zurückgreifen müssen. Um aber den Nachbau nicht unnötig zu erschweren sollten die Taster "nackt", d.h. ohne die farbigen Kunststoffkappen, verwendet werden: Es ist für den einfachen Bastler schon schwierig genug, 32 Löcher in zwei Reihen exakt positioniert zu bohren. Hiervon 16 als rechteckige Tastenöffnungen herzustellen ist aber eine Strafarbeit. Allerdings muß man sich vorher entscheiden, denn wenn man die Kunststoffkappen verwenden will, dürfen die "Knöpfe" der Taster nicht zu lang sein.
Auch die Adreßeinstellung mit den 4 Drehschaltern, den vier Schalten, um den Regler zur Adreßumstellung zu deaktivieren, und den Einstellmöglichkeiten für die 12 Preset-Adressen befindet sich auf einer eigenen Platine, die gleichfalls die gesamte Europakartenlänge von 16cm nutzt. Auch bei den 12 Preset-Adressen habe ich eine möglichst simple und billige Lösung gesucht und habe mich für einfache 16-polige IC-Fassungen entschieden - und zwar muß es die die billige Ausführung mit Federkontakten und nicht die teure Ausführung mit den gedrehten Präzisionskontakten sein. Dank des Dioden-Verhaus auf der Rückseite der Platine kommt man zur Einstellung der Adresse, die im normalen 8-Bit-Binärcode von 0 bis 255 (binär also 00000000 bis 11111111) reicht, mit einfachen Drahtbrücken aus. Den Gipfel des Luxus´ in dieser Klasse kann man durch die Verwendung von 8-poligen-DIP-Schaltern erklimmen, die natürlich einfach in die IC-Fassungen gesteckt werden können.

Auf eine Visualisierung der Fahrtrichtung habe ich verzichtet. Bei den Handreglern hat sie wenig Sinn, denn wenn man mit einer Lok mobil ist, weiß und sieht man ohnehin, in welche Richtung sie fährt. Außerdem war es schon aufwendig und trickreich genug, den Status der Sonderfunktion im Handregler zu visualisieren - eine weitere LED wäre nur um den Preis weiterer Kabel anzusteuern gewesen. Sinn hat die Visualisierung der Fahrtrichtung nur bei der LapCU selbst, denn nur bei der Einstellung einer neuen Adresse an der LapCU kann die Frage aufkommen, in welche Richtung die neu adressierte Lok fahren wird. Bedauerlicherweise war es bei dem vorgesehenen Konzept der Adreßeßeinstellung aber nicht möglich, diese zusätzlichen vier bzw. acht LEDs bei der Adreßeinstellung unterzubringen - Frontplatte und Platine sind restlos dicht. Allerdings erscheint mir dieser Verzicht durchaus erträglich, denn wenn man sich im unklaren über die Fahrtrichtung befinden sollte, so genügt ein Druck auf die Taste für die Sonderfunktion, die ja üblicherweise die Beleuchtung steuert, um Licht ins Dunkel zu bringen. Möglicherweise erweitere ich die Steuersoftware später dahingehend, daß die LEDs der Extrafunktionen nach der Adreßumstellung kurz die Richtung symbolisieren; möglicherweise wird auch eine Variante der Adreßeinstellung die Möglichkeit bieten, diese vier bzw. acht LEDs nebst Ansteuerung unterzubringen - die Elektronik der Steuerung selbst sieht diese Möglichkeit jedenfalls vor.

Bauteile

Neben dem alten Laptop, der auch ein 386er (286er könenn je nach Typ auch genügen) sein kann und mit 640kB Hauptspeicher und einem alten DOS auskommt, braucht man folgende Bauteile:

Booster
C1,C2 : Elko 100u 35/40V stehend
C3 : 2200u 35/40V stehend (4700u optional)
C4 : 4700u 35/40V stehend (10.000u optional)
C5,C6 : Elko 1u 25V stehend
C7 : 10...47p
C8 : 100...220p
C9 : 47u 25V stehend
D1-D4 : 1N4004 (D2,D3 optional)
D5-D8 : 1N5400 (D5,D7 optional)
D9-D13,D18,D19,D22: 1N4148
D14,D16 : ZPD15 o.ä. (Z-Diode 15V)
D23: ZPD5V6 o.ä. (Z-Diode 5V6)
D15 : ZPD16 o.ä. (Z-Diode 16V)
D17 : ZPD4V7 o.ä. (Z-Diode 4,7V)
D20,D21 : LED 5mm grün
R1,R12 : 10k
R2,R8,R9 : 22k
R3,R5,R6 : 100k
R4 : 3k9
R7 : 680R
R10: : 2k2
R13 : 15k
R14,R15 : 0R18/3W (0R15/5W, optional)
R16 : 1k
R17,R19 : 470k
R18,R11 : 4k7/0.5W
T1 : BF245 (A/B/C)
T2,T6 : BC547
T3 : TIP120 (BDV65A, optional)
T4 : TIP125 (BDV64A, optional)
T5,T7 : BC557
U1: : Spannungsregler 78L05
U2 : Spannungsregler 79L05
U3 : : NE5534N
JP2+JP3 : zusammen 1 x Stiftleiste 2 x 4 sowie
4 x Kurzschlußstecker 2,54mm
JP1 + SV5: zusammen 1 x Stiftleiste 2 x 5 sowie von LapCu8q 4 x Kurzschlußstecker 2,54mm
JP4 : Stiftleiste 1 x 5
4 oder 6 x Lötnägel mit Steckschuhen
2 x Steckverbinder zweipolig, 2,54mm z.B. PSS/PSK (Reichelt)
1 x Kühlschiene SK48 75mm (Conrad)
2 x Glimmerscheiben TO220, Wärmeleitpaste, Schraubisolierung
4 oder 6 x Einbaubuchsen Banane 2,6mm nebst Stecker, 2 (3) x braun, 1 (2) x weiß, 1 x rot
Alle Widerstände, soweit nicht anders vermerkt, 1/4 W, besser 1/8 W

Adresseinstellung (LapCU2a)
D1 - D104: 1N4148
JP1 : Stiftleiste 2 x 10 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 10
RN1 : SIL-Widerstand 8 x 47k
S1 - S 12: IC-Fassung 16pol. Federkontakt oder DIL-Schalter 8fach
S13 - S16: Drehschalter 12 x 1
S17 - S20 : Kipp- oder Schiebeschalter 1 x um
4 x Drehknöpfe nach eigenem Gusto

Extrafunktionen (LapCU6a)
D1 - D16: LED3mm low power, rot oder gelb
D17 - D32: 1N4148
R1 - R 4: 1k5 1/4 W oder weniger
R5 - R8: 47k 1/4 W oder weniger
S1 - S 16: Taster 1 x ein, z.B. TASTER3301B (Reichelt)
T1 - T4: BC547
SV1: Stiftleiste 2 x 07 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 07

Reglerinterface (LapCU7)
C1 - C4: Elko 1u/10V stehend
C5 : Elko 10u/10V stehend
D1: 1N4148
IC1 : CMOS 4051
T1 : BC547
J1 - J4: Western-/Modularbuchse 4/6, z.B. MEBP6-4 (Reichelt) nebst Western-/Modularstecker 4/6
R1 : 1k5 1/4 W oder kleiner
R2 : 47k 1/4 W oder kleiner
SV1 : Steckerleiste 2 x 05 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 05

Steuerung (LapCu8q)
C1 : 150p
C2 : Elko 10u 10V stehend
C3 : Elko 10u 35V stehend
D1,D2: 1N4148
IC1 : CMOS 4051
IC2 : 74HC138 oder 74HCT138
IC3,IC4 : 74HC244 oder 74HCT244
IC5 : ADC0804
IC7 : Spannungsregler 7805
T1,T2: BC547
R1 : 470R
R2,R6 : 47k
R3 : 2k2
R4 : 1k
R5 : 10k
RN1 : SIL-Widerstand 5 x 47k
SV1 : Stiftleiste 2 x 05 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 05
SV2 : Stiftleiste 2 x 07 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 07
SV3 : Stiftleiste 2 x 10 gerade mit Pfostenfeldsteckverbinder 2 x 10
SV4 : Stiftleiste 2 x 05 gewinkelt
SV5 : siehe Stückliste Booster
X1 : SUB-D-Buchse 25 pol. US
1 x Steckverbinder 3pol z.B. PSS/PSK (Reichelt)
1 x Taster 1 x an z.B. TAST3301B (Reichelt)
1 x LED 5mm grün
Alle Widerstände 1/4 W, besser 1/8 W

Handregler (LapCU9)
D1: LED3mm low power rot oder gelb
J1 : Western-/Modularbuchse 4/6 z.B. MEBP6-4 (Reichelt) nebst Western-/Modularstecker 4/6
P1 : Potentiometer 100k linear
R1 : 33k 1/4 W oder weniger
S1,S2: : Taster 1 x an z.B. TAST3301B (Reichelt)
1 x Drehknopf nach eigenem Gusto
Diese Bauteile sind für jeden Handregler erforderlich

Bei günstigem Einkauf können diese Bauteile (ausgenommen die Drehknöpfe) schon für ca. 35 Euronen erstanden werden. Es handelt sich um absolute Standard-Bauteile, die jeder Versandhandel - Reichelt, Kessler, elpro, Segor usw. - führt.

Ferner ist ein Parallelportkabel erforderlich, das auf die Parallelportbuchse des Laptops und die weibliche Buchse der LapCU paßt. Für die interne Verkabelung und den Anschluß der Handregler empfiehlt sich handelsübliche Flachbandleitung, wie man sie aus dem PC-Bereich kennt, die man problemlos selbst konfektionieren kann.

Wer nicht in der Lage ist, die Platinen selbst anzufertigen, kann sich an den Service wenden.

Disclaimer

Zum Abschluß noch der Hinweis, daß Aufbau und Betrieb von LapCU und insbesondere deren Boosters sowie Umbau und Betrieb des Trafos allein auf eigene Gefahr erfolgen.

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© 2003 by Dr. M. Michael König | Antoniter-Weg 11 | 65843 Sulzbach/Ts. | Kontakt | Stand: 26.10.2003

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