Entwicklung des Modellbahn-Digital-Systems DIGI-NOW zum Schalten und Melden bei der ChRB

Es sind jetzt etwas mehr als zwei Jahre her, seit ich für mich den Arduino und die damit verbundenen Möglichkeiten entdeckt habe.

Schon damals waren nebst dem eigentlichen Arduino eine ganze Reihe von moderneren und leistungsfähigeren Microcontrollern verfügbar. Ich habe mich wegen seiner Einfachheit bewusst an den Original-Arduino geklammert. Ich war auch mit ihm ausreichend gefordert.

Nun ist aber auch für mich die Zeit gekommen, wo ich mich der moderneren Welt des Microcomputing nicht länger verschliessen will. Ausser in den Schulstuben, wo sich der Arduino immer noch grosser Beliebtheit erfreut, muss dieser zunehmend den moderneren und wesentlich leistungsfähigen Microcontrollern weichen.

Ein sehr verbreiteter 32-Bit-Microcontroller ist der ESP32 der chinesischen Firma Espressif. Diese Microcontroller sind nicht nur um Faktoren schneller als die originalen Arduinos. Sie sind auch zugleich preisgünstiger. Die eigentliche Spezialität der ESP-32 Prozessoren sind die drahtlose Konnektivität (WiFi und Bluetooth). Heute sind fast alle Modelle mit mindestens einer oder sogar beiden den genannten Kommunikations-Technologien ausgerüstet.

Die deutlich höhere Leistung und die gute Unterstützung der drahtlosen Konnektivität zu einem äusserst attraktiven Preis sind das Eine. Auf der anderen Seite ist die Auswahl, sowie der Einsatz der ESP32 Microcontroller wesentlich anspruchsvoller als die der guten alten Arduino-Boards.

Das Projekt, das mir hier vorschwebt, ist (soweit es gelingt) eine Ablösung des etwas ins Stocken geratenen Sturzibus-Digital-Systems, welches aus gegen 20 Arduino-Mega, die über RS-485 (Sturzibus) miteinander verbunden sind, besteht.

Das neue Projekt, das ich im Rahmen einer Projektstudie hier untersuchen will, besteht voraussichtlich aus ca. 10 Stück ESP32 Controllern, welche drahtlos (über das Protokoll ESP-NOW) miteinander kommunizieren. Da die Kommunikation ESP-NOW kein Bus-System ist, wäre damit der Begriff Sturzibus-Digital gestorben. Der Nachfolge-Begriff könnte einfach Sturzi-Digital sein, wobei ich mich beim Namen noch nicht festgelegt habe.

Im nächsten Beitrag werde ich die Konzept-Idee, die meinem Projekt zugrunde liegt, vorstellen. Dann werde ich näher auf den ESP32 Microcontroller und die Komponenten, die ich im Fokus habe, eingehen.

Zitat von egos

Was stockt denn?

Es fehlen noch ein Weichendecoder, alle Besetztmelder und alle Lichtsignal-Decoder.

Zitat von egos

die notwendige Lust?

Die Lust auf ein neueres, einfacheres, robusteres Konzept.

Zitat von egos

Den neuen (chinesischen) Ansatz werde ich gespannt verfolgen

Ich auch 😀 .

Zitat von RedTrain

Ein cooles Projekt und ein Schritt mit der Zeit.

Ich bin beeindruckt und gespannt - viel Spass und viel Erfolg!

Danke, Carlo!

Arduino (die ältere Generation) und der neuere ESP32

Dieses Bild zeigt den original Arduino Uno R3 (oben). Der R3 war für lange Zeit DER Standard-Arduino, einfach aufgebaut und robust, aber für heutige Begriffe sehr langsam.

Darunter sieht man den grössere Arduino Mega 1280 (dies ist ein Clone von DFROBOT). Der Mega ist gleich schnell (oder besser gleich langsam) wir der Uno R3, hat aber wesentlich mehr digitale Ein- und Ausgänge wie der R3. Der Mega ist der, welcher bei mir im Sturzibus-Digital-System, sowohl im Gateway, sowie auch in den Modulen zum Einsatz kam.

Der nächste ist ein Arduino Uno R4. Das ist eine neuere Generation des Uno, aber mit dem gleichen Formfaktor wie der R3. Er ist schon deutlich schneller als der R3. Den Uno R4 verwende ich für meine Bahnhof-Uhren-Projekte.

Zuunterst ist ein ESP32-S3. Es ist ein Entwicklungsboard von Waveshare. Er besitzt einen sehr schnellen, modernen Dual-Core-Prozessor. Ich denke, wenn man von etwa der 10-fachen Leistung des Uno R3 spricht, übertreibt man nicht. Der ESP32-S3 von Waveshare ist derjenige, mit dem ich in den letzten Tagen meine ersten ESP32-Versuche gemacht habe. Es gibt tonnenweise, verschiedene ESP32-Chips, Module und Entwicklungs-Boards von vielen verschiedenen Herstellern. Allen gemeinsam sind die Prozessor-Chips von Espressif.

Wenn es so kommt, wie ich es mir im Moment vorstelle, werden für das Sturzi-Digital-System etwa 10 Stück des ESP32-S3 Boards zum Einsatz kommen. Wie sie zusammenarbeiten sollen, schreibe ich dann in einem der nächsten Beiträge.

Zitat von 11465 - Oerlikon

Morgen wirst Du schreiben, dass der hochmoderne China-Chip so etwas von antiquiert ist - und es geht von Neuem los. Die Abstände werden immer kürzer.

Ja und jetzt? Soll ich aufhören, mich mit neuen Sachen zu befassen, obwohl sie mich interessieren? ☹️

Ja, dann bitte ich einen Admin, diesen Thread zu löschen.

Unter den gegebenen Umständen habe ich keine Lust, hier weiter zu schreiben.

Danke, Martin.

Ja, ich werde weitermachen. Mit dem Projekt auf jeden Fall, mit dem Bericht wahrscheinlich auch.

Alle paar Stunden oder alle paar Tage eine Hürde

Das ist auf jeden Fall ein interessantes Projekt. Es besteht zwar aus lauter Hürden, aber einem Hürdenläufer stinkt es nicht, über Hürden zu laufen. Wenn es um dieses Thema geht, bin ich ein Hürdenläufer und diese Hürden zu überwinden, macht mir Spass.

Was habe ich bis jetzt für Hürden angetroffen?

- Die Welt der ESP32 Boards ist sehr vielfältig. Es gibt sicher gegen hundert Hersteller, die solche Boards machen. Keine zwei davon sind gleich. Als erste Hürde: Was für ein Board verwende ich? Diese Hürde ist genommen. Ich habe es mit drei verschiedenen Boards versucht. Jedes verspricht, die Anforderungen zu erfüllen.

- Bei jedem Board ist es eine Herausforderung, es mit der Arduino-IDE (Entwicklungsumgebung) zum Laufen zu bringen. Diese Boards sind sehr leistungsfähig und unterstützen sehr viele Optionen. Dementsprechend müssen viele Einstellungen passen, damit es überhaupt läuft. Auch diese Hürde ist genommen. Ich habe alle drei Varianten zum Laufen gebracht.

- Die Kommunikation zwischen der Digital-Zentrale (bei mir Gateway genannt) und den Digital-Decodern (bei mir Module genannt) soll kabellos (über WIFI) erfolgen. Das Protokoll, das dabei zur Anwendung kommen soll, heisst ESP-NOW. Auch diese Hürde ist geschafft. Es hat zwar lange gedauert, bis sich endlich zwei Boards dazu bequemt haben, mir den Gefallen zu tun, um miteinander zu schnörren. Auch das sieht jetzt gut aus. Bis jetzt schaffe ich etwa 700 Daten-Austausche pro Sekunde. Wenn es mit zunehmender Anzahl Boards (am Schluss werden es gegen 10 sein) nicht wesentlich langsamer wird, bin ich damit auch auf der sicheren Seite.

- Aber ...., obwohl die Kommunikation an sich funktioniert, kommen bei Empfänger die Daten nicht immer so an, wie sie der Sender abgeschickt hat. Wenn man die Kommunikation mit Daten "überfüttert", kommt es nicht gut. Die Kommunikation "überhaspelt" sich dann und es gibt Fehl-Übermittlungen. Auch dieses Problem konnte ich lösen durch gezieltes Synchronisieren der Kommunikation.

- Wenn die Kommunikation unter Labor-Bedingungen, d.h. auf dem Schreibtisch und jedes Board an den Compi angeschlossen, einmal einwandfrei funktioniert, ist das das Eine. Aber das Zeugs muss raus auf die Anlage. Die Boards müssen extern gespeist und sie müssen in grösserer (realistischer) Distanz zueinander platziert werden. Da hat sich herausgestellt, dass bei externer Speisung (nicht mehr über den Compi) gar nichts mehr läuft (das Programm verweigert sich). Auch diese Hürde ist geschafft. Es braucht eine Einstellung am Board, die ich bisher nicht kannte. Diese Einstellung richtig gesetzt sorgt dafür, dass das Programm auch bei externer Speisung läuft.

- Kommunikation durch die Luft (kabellos) ist anfällig gegen Störungen. In unserer Umgebung können fahrende Loks Störefriede darstellen und die Kommunikation beeinträchtigen. Das war eine kleine Hürde. Ich musste es nur bei fahrenden Loks testen, um zu sehen, dass es immer noch einwandfrei funktioniert. Auch bezüglich Distanz sieht es gut aus. Die kabellose Kommunikation läuft auch bei einigen Metern Distanz einwandfrei.

Das ist der jetzige Stand und obwohl noch mit vielen weiteren Hürden zu rechnen ist, sieht es soweit gut aus.

Das wird die Digital-Zentrale für das neue Digital-System sein.

Ein Board, ein USB-Kabel zum Compi, wo die Modellbahn-Steuerung drauf läuft, und sonst nichts.

Für die Zentrale (bei mir Gateway genannt) braucht es keine weiteren Kabel. Die Kommunikation zu den Modulen soll ausschliesslich durch die Luft führen.

Bei den Decodern (bei mir Module genannt), sieht es bezüglich Kabel schon etwas anders aus. Die Kabel zu den IR-Lichtschranken, zu den Weichen, zu den Besetztmeldern und zu den Lichtsignalen gibt es weiterhin und diese müssen an die Module angeschlossen werden.

Nun bin ich gespannt auf die nächsten Hürden, die mit Sicherheit bald kommen werden.

Der MCP23017 Port Expander von DFRobot

Ein Digital-System zum Schalten und zum Melden braucht typischerweise viele DIO. DIO sind digitale Inputs und Outputs, also Anschlüsse, die einen logischen Zustand (Spannung / keine Spannung) feststellen (bei den digitalen Inputs) oder setzen (bei den digitalen Outputs) können. Mit diesen DIOs kann man bei einem Digital-System z.B. den Status von Lichtschranken oder von Besetztmelde-Strecken erkennen und ans übergeordnete Modell-Bahn-Steuerungs-Programm weiter melden. Oder man kann Befehle von diesem Steuerungs-Programm entgegen nehmen und entsprechend Weichenantriebe oder Lichtsignale schalten.

Die meisten gängigen Digital-Systeme zum Schalten und Melden (*) haben Decoder und Encoder, welche am Digital-Bus angeschlossen sind. Wenn es darum geht, etwas zu Schalten, spricht man von einem Decoder. Wenn es aber ums Melden geht (Rückmeldungen entgegennehmen und weiterleiten) spricht man von einem Encoder. Es hat sich aber eingebürgert, dass man ausschliesslich von Decodern spricht, auch wenn zum Teil eigentlich Encoder gemeint sind. Ich werde es hier auch so halten und nur den Begriff Decoder anwenden.

Handelsübliche Decoder von handelsüblichen Digital-Systemen haben meist Ein-, bzw. Ausgänge für 4, 8 oder 16 Geräte (Weichen-Antriebe, Lichtsignal-Lämpchen, Besetztmelde-Strecken, Infrarot-Rückmelder). Wenn man sehr viele solcher Geräte anschliessen will, braucht man entsprechend viele Decoder.

Beim Sturzibus-Digital hatten wir Decoder für IR-Lichtschranken mit je 42 Ports, Decoder für Besetztmelder mit je 16 Ports, Weichen-Decoder mit Ports für je 20 Weichen-Antriebe und Lichtsignal-Decoder für je 40 LED.

Der Grund, warum es nicht mehr sind, liegt meist an der Anzahl DIO die beim Arduino Mega verfügbar sind. Der Arduino Mega hat 54 DIO.

Beim neuen Digital-System (das um welches es in diesem Thread geht) will ich ja bekanntlich andere Microcontroller, nämlich ESP32 verwenden. Diese ESP32 haben, bedingt durch ihre physische Grösse, wesentlich weniger DIO als der Arduino Mega. Also ein echter Rückschritt? Ja, im Prinzip schon. Für diese Limitation gibt es aber eine Lösung. Die Lösung heisst Port-Expander.

Dieses Bild zeigt in meinem (noch ziemlich chaotischen) Test-Aufbau den Einsatz eines Port-Expanders. Der Port-Expander ist mit einem vier-adrigen Kabel über die sogenannte I2C-Schnittstelle an den ESP32 Controller angeschlossen. Jeder Port-Expander hat 16 DIO, die beliebig als Ein-, bzw. Ausgänge konfiguriert werden können. Hier sieht man als Beispiel zwei IR-Lichtschranken, die an den Port-Expander angeschlossen sind.

Damit man mehr als einen Port-Expander an einen Controller anschliessen kann, kann man die Port-Expander kaskadieren. Den ersten Port-Expander schliesst man mit einem vieradrigen Kabel an den ESP32 an. Jeder weitere Port-Expander wird mit einem weiteren vieradrigen Kabel an den vorhergehenden angeschlossen. Man kann nun bis zu acht Port-Expander als Kaskade an einen ESP32 anschliessen. Damit erhält man bis zu 128 DIO für einen einzigen Controller. Verglichen mit dem Arduino Mega (54 DIO) sind das dann wiederum ziemlich viele.

Vorgestern, an unserem Bauabend, habe ich mit diesen Port-Expandern experimentiert. Dabei ist es mir gelungen, den Zustand von IR-Lichstschranken beim ESP32 Controller zu erkennen und an den Compi weiter zu melden. Damit ist eine weitere Hürde geschafft.

Von diesen Port-Expandern werde ich ziemlich viele brauchen (voraussichtlich etwas mehr als 20 Stück). Zum Glück sind sie nicht teuer. Es solcher Port-Expander kostet (inkl. I2C-Kabel) CHF 8.90.

(*) Ich möchte hier nochmals betonen, dass es bei diesem Digital-System ausschliesslich ums Schalten und Melden geht. Also mit dem Ansteuern von Lok-Decodern hat das hier nichts zu tun. Für das Fahren (Ansteuern von Lok-Decodern) haben wir ein anderes Digital-System, nämlich die EX-CommandStation von DCC-EX.

Dani, das freut mich zu hören.

Zitat von dastag

Die kabellose Kommunikation von Decodern zu Zentrale bei der Moba ist für mich längst fällig.

Bist du diesbezüglich auch etwas am Kochen?