Aggiungiamo il sonoro al nostro impianto: Decoder DCC con modulo MP3

 Molti plastici ferroviari, casalinghi e/o di associazioni, sono delle vere e proprie realtà in miniatura, ricchi di particolari e realizzazioni di grande realismo. Nell' ammirarli anche staticamente, o magari durante un lento procedere di un treno regionale o il transito di un intercity, tutti ci immaginiamo di sentire una campanella leopolder, un annuncio in stazione, insomma... manca solo la parola! 😉

Ebbene, la tecnologia oggi ci permette di aggiungere una caratteristica al già tanto ricercato realismo dei plastici ferroviari: il sonoro. Qualche anno fa notai sul sito di Luca Dentella (www.lucadentella.it), noto divulgatore di tecnologia ma anche appassionato di ferrovie in miniatura, un piccolo ed economico player mp3 che potrebbe assolvere allo scopo, il JQ6500-16P.

Il modulo alloggia il chip principale (che è il vero e proprio player, il JQ6500 appunto) più un piccolo aplificatore audio. Esso inoltre è dotato di 5 ingressi cui poter collegare altrettanti pulsanti per permettere al riproduzione immediata di 5 file audio. La memoria è 2Mbyte. Qui potete trovare un'altra pagina (in inglese) con un'ampia descrizione del modulo.

Montanto una breadboard quindi, come quella indicato in figura, alimentando il tutto a 5V,

si può tranquillamente realizzare un circuito che permete di avere alla pressione di un tasto, la riproduzione della campanella di un passaggio a livello, un annuncio in stazione o semplicemente il fischio di una loco in partenza. Con un po' di manualità con l' elettronica lo si può anche interfacciare con un tipico sensore di presenza, barriera infrarossi o pedale di quelli usati sui plastici ferroviari. Il limite è che si possono gestire soltanto 5 suoni da riprodurre.

Sul come caricare i file sul modulo, vi rimando ai molteplici video che si trovano in rete, in pratica collegado il JQ6500 ad una porta USB del PC tramite il connettore micro-usb on board, questo lo vede come una lettore CD. Lanciando l' applicativo MusicDownload.exe è possibile caricare files i file audio. Per associare correttamente i files ai tasti, è bene nominare questi in modo che rispettino la corretta associazione con essi, quindi i nomi saranno 001.mp3, 002.mp3 e così via...

C' è da far notare che alcuni store cinesi vendono i moduli JQ6500 senza il software precaricato: l' ottimo Luca ha redatto un articolo (link) molto chiaro sul come recuperare questi moduli, ma anche per questo si trovano molte guide in rete.

Interfaccia DCC con Arduino

Fin qui abbiamo descritto un modulo mp3 che permette di riprodurre suoni alla pressione di alcuni tasti. Il JQ6500 ha una interfaccia seriale che permette la gestione di tutte le funzioni tipiche di un player mp3, ovvero start/stop/pausa, gestione del volume, avanzamento rapido, scelta del brano da ripeodurre etc. E come accade nel mondo dei maker, per tali funzioni sono state sviluppate librerie per la gestione del modulo tramite Arduino che rendono semplice la fruizione di tali funzioni.

La libreria che ho utilizzato è JQ6500_Serial, qui potete trovare una più che esauriente descrizione della stessa.

Dopo aver quindi sviluppato i decoder per accessori presentati negli articoli precedenti, è stato piuttosto semplice derivare anche lo sketch adatto per realizzare un decoder capace di gestire questo modulo mp3 per poter replicare i suoni tramite comandi DCC. Lo sketch, come i decoder precedenti, fa uso della libreria NmraDcc.h.

In pratica, realizzando il circuito indicato nello schema (figura successiva) e con lo sketch adatto, il decoder riproduce i suoni precaricati quando dalla centralina DCC vengono inviati comandi per accessori. Il decoder avrà un indirizzo base come un decoder per scambi o segnali, e in base al comando dritto/deviato, manderà in riproduzione i file corrispondente. Un esempio forse sarà più esplicito, se come indirizzo base abbiamo "1" avremo: 

 

Indirizzo Scambio	Comando	File riprodotto
1	dritto	001.mp3
	deviato	002.mp3
2	dritto	003.mp3
	deviato	004.mp3
3	dritto	005.mp3
	deviato	006.mp3
4	dritto	007.mp3
	deviato	008.mp3
5	dritto	009.mp3
	deviato	010.mp3
6	dritto	011.mp3
	deviato	012.mp3
7	dritto	013.mp3
	deviato	014.mp3
8	dritto	015.mp3
	deviato	016.mp3

Il decoder non ha un limite per il numero di file da caricare, esso all' accensione identifica il numero dei file memorizzati nel modulo JQ6500 e da lì associa gli indirizzi ai file, in pratica se abbiamo memorizzato 8 files, da 001 a 008, il decoder risponderà agli indirizzi da 1 a 4 secondo la tabella precedente, se invece abbiamo caricato 12 files (da 001 a 012) esso risponderà con indirizzi da 1 a 6 e così via... Il limite è la memoria del modulo JQ6500 che, ricordo, è di 2Mbye.

Lo schema del decoder è il seguente:

Il tasto S1 permette di programmare l' indirizzo base: premendo il pulsante il modulo memorizzerà l' l'ultimo indirizzo ricevuto dalla centrale come indirizzo base da cui iniziare ad associare i suoni. Durante la fase di "ascolto" il led sul pin D13 di Arduino lampeggerà. Premere reset quando si intende memorizzare l' indirizzo in EEPROM.

Il modulo ha di default il volume regolato al massimo, il decoder può cambiare tale valore tramite una CV. La libreria NmraDcc.h infatti permette la gestione delle CV, lo sketch utilizza questa funzionalità per poter regolare il volume: inserendo un valore da 1 a 30 nella CV numero 10 è possibile regolare il volume del decoder.

I comandi funzionano in modo "on/off" per la riproduzione dei suoni, ciò significa che inviando un comando il suono corrispondente verrà riprodotto, inviando lo stesso comando durante l' esecuzione del file, questo verrà interrotto. Durante la riproduzione di un file tutti i comandi ricevuti, ad eccezione dello stesso comando per interrompere la riproduzione, verranno ignorati.

All' avvio il decoder mostra sulla seriale tutti i parametri:

Viene riportato il nome del file, ora e data caricato su Arduino (per rintracciare la versione SW), se la seriale di servizio è attiva, se è stato programmato un indirizzo, altrimenti di default è "1", il numero di file memorizzati sul modulo, e il range di indirizzi cui essi fanno riferimento per essere riprodotti, infine il valore del volume.

Funzionamento in analogico

Per riprodurre i suoni non è necessario disporre di una centralina DCC, dallo schema si vede che sono stati previsti punti di collegamento per i pin D3, D4, D5, D6, D7, D10, D11, D12. Tali pin corrispondono all' esecuzione dei files da 001 a 008 nella stessa modalità descritta in precedenza, ovvero portando a GND uno dei pin elencati con un pulsante o sensore di presenza, verrà riprodotto il suono associato; se durante la riproduzione verrà nuovamente portato a GND lo stesso pin il suono verrà interrotto.

PIN	File riprodotto
D3	001.mp3
D4	002.mp3
D5	003.mp3
D6	004.mp3
D7	005.mp3
D10	006.mp3
D11	007.mp3
D12	008.mp3

Attenzione: occorre agire in modalità "pulsante" ovvero con un impulso della durata minore di 1,5 secondi - tale parametro è regolabile nello sketch.

Il limite è dettato in questo caso dal numero di pin di Arduino Nano: nello sketch sono usati i soli pin digitali D3-D12 (D2 è utilizzato per ricevere i dati DCC, D8 e D9 sono usati per comunicare con il JQ6500, D13 pilota il led di stato), ma si possono facilmente aggiungere anche i pin analogici per aggiungere altri suoni da riprodurre.

Anche per questo progetto, come di consueto, ho realizzato un PCB dal mio fornitore cinese. Le piastre sono arrivate in 4 settimane e sono di ottima qualità:

Infine, voglio segnalare un software gratuito, open-source e multipiattaforma che ho usato per generare i files audio: si tratta di Audacity© (https://www.audacityteam.org/), un programma che in pratica si mette in "ascolto" di ciò che viene riprodotto dagli altoparlanti o cuffia del PC per poi essere modificato, tagliato e quindi salvato in formato mp3.

A presto! 😉

- antogar

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Un sinottico a LED per sistemi Xpressnet© con Arduino Nano

Nell' articolo precedente è stato descritto un progetto con Arduino Nano per realizzare in pannello di controllo per scambi a pulsanti, basato sul protocollo Xpressnet© tipico dei sistemi Roco, Lenz etc. Molto spesso la domanda successiva alla realizzazione di un pannello del genere è: come posso visualizzare la posizione dello scambio ?
Le soluzioni sono molteplici: se lo scambio è azionato da un interruttore/deviatore, molti utilizzano la seconda via dello stesso per pilotare una coppia di led, altri invece (ed è il metodo più sicuro e affidabile, analogo a ciò che succede nella realtà) utilizzano la posizione fisica degli aghi dello scambio derivando il segnale da interruttori posizionati in prossimità del motore o direttamente utilizzando l' alimentazione del cuore (per sistemi DCC prendendo l' informazione direttamente dallo scambio utilizzando la polarizzazione del cuore come indicato qui --> https://model-railroad-hobbyist.com/node/25604?page=1)
In questo modo infatti l' informazione della posizione dello scambio è effettivamente derivata dal campo. Il grande svantaggio di questa tecnica è l' elevato numero di fili da far circolare, cosa ancor più complicata se l' impianto è stato già realizzato.
In questo articolo descrivo un metodo un po' alternativo, ovvero si tratta di un dispositivo che si collega come un qualsiasi device Xpressnet© che pilota una matrice di led associati a coppie ai vari scambi dell'impianto, vedremo nel corso dell' articolo che anche con Arduino Nano si possono pilotare un gran numero di led con il metodo "charlieplexing". Ciò si presta molto bene per impianti che sono stati già realizzati e dotati decoder DCC per l'azionamento dei deviatoi.

Il progetto utilizza il circuito con Arduino presentato nel precedente articolo, ad esso va affiancata la matrice a led che come vedremo è stata realizzata con un PCB a parte. A differenza del precedente, in questo progetto Arduino invece che inviarli, "ascolta" i comandi che passano sul bus Xpressnet©: quando Arduino "vede" passare un comando scambi, piloterà in modo adeguato (dritto/deviato) il led corrispondente all'indirizzo dello scambio stesso.
I vantaggi di un sistema del genere stanno nel fatto che il circuito mostra la posizione dello scambio in maniera indipendente dalla sorgente che ha generato il comando; in pratica se lo scambio è stato posizionato da un multimouse, da un pannello XTCO o da un software come RocRail©, il circuito indicherà sempre correttamente la posizione dettata dall' ultimo comando ricevuto.
Ovviamente tutto ciò funziona in un impianto che prevede il solo azionamento DCC dei deviatoi ed è altrettando ovvio che presuppone il corretto funzionamento del motore-aghi, visto che la posizione dello scambio è indicata basandosi sui comandi inviati e non rilevando la posizione fisica (metodo, come ho avuto modo di dire all'inizio, più sicuro, affidabile e aderente alla realtà).
Il grande vantaggio della soluzione presentata è come sempre il fatto che basta collegare il dispositivo come un normale device Xpressnet© senza alcun bisogno di cablare nuovi fili, il progetto è quindi indicato per impianti già costruiti di cui si vuole dotare di un'indicazione ottica dei deviatoi.
Come anticipato, viene utilizzata la tecnica "Charlieplexing" per pilotare i led, essa si basa sul fatto che un microcontrollore può dinamicamente cambiare lo stato dei pin in input/output/3-state; ciò rende possibile alimentare più led cambiando ciclicamente lo stato di pochi pin. Tale metodo fu ideato nel '95 da Charlie Allen, un progettista della Maxim, e da qui il nome del metodo. Esistono molti articoli in rete che ben descrivono questo metodo, vi rimando a questi per capire più approfonditamente come funziona questa tecnica.

Brevemente, il metodo usa un certo numero di pin (nel mio caso 6) per pilotare una matrice di led. La formula che lega il pin ai led è:

Nled = Npin * (Npin - 1)

dove Npin è numero di pin utilizzati; con 6 pin è quindi possibile gestire 30 led! Lo schema della matrice di led è il seguente:

Anche per questo progetto ho disegnato un circuito stampato per la matrice a led:

Il connettore J1 dello schema va collegato pin-to-pin al connettore P4 del circuito presentato nell' articolo precedente.

Lo sketch è stato pensato per poter pilotare una matrice di 30 led, quindi 15 coppie e di conseguenza può visualizzare lo stato di 15 scambi con led dritto/deviato. Con semplici modifiche e studiando un po' la tecnica del charlieplexing è possibile aumentare il numero di led da pilotare.
La variabile:

#define npins 6

definisce il numero di pin gestiti da Arduino, a seconda delle esigenze è possibile quindi assegnare il valore desiderato.
Come i tutti i miei progetti basati su Xpressnet©, anche questo utilizza le librerie di Philipp Gahtow (http://pgahtow.de), utilizzabili gratuitamente ma soltanto esclusivamente per usi privati e non commerciali.
Nel codice l' indirizzo della periferica Xpressnet è cablato nella variabile:

#define XNetAddress 28 //Adress on XpressNet bus

che ha valore 28, se si hanno altre periferiche con lo stesso indirizzo sul bus Xnet, questo valore va cambiato.
Arduino memorizza in EEPROM lo stato della matrice, sicchè ad ogni accensione viene caricata posizione corrente dei deviatoi, per questo è molto importante che il dispositivo sia sempre collegato alla centrale DCC in modo da avere sempre la configurazione dei deviatoi aggiornata all' effettivo stato degli aghi; tuttavia è possibile azzerare la memoria: tenendo premuto il pulsante e alimentando il dispositivo, la memoria viene cancellata. 
I pin 11 e 12 sono utilizzati per una seriale sofware di servizio (tramite la libreria SoftwareSerial.h e un adattatore HW RS232-USB) utile a leggere la configurazione dei pin. Le righe corrispondenti possono essere commentate una volta terminata la fase di debug/configurazione.
Qui di seguito una foto del prototipo:

DOWNLOAD SKETCH PER ARDUINO

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Un pannello di controllo per scambi per sistemi Xpressnet© con Arduino Nano

Facendo seguito all' articolo in cui ho descritto come pilorare gli scambi con Arduino Nano in un sistema basato sul protocollo Xpressnet©, ho sviluppato il progetto descritto in questo articolo che permette di realizzare un quadro comandi per scambi motorizzati dotati di decoder DCC per accessori.
Il progetto è semplice, esso si basa su quanto già descritto nell' articolo precedente:

il circuito permette di azionare gli scambi con indirizzo da 1 a 30 con una coppia di pulsanti normalmente aperti. La connessione dei pulsanti ai connettori P4 e P5 o P6 permetterà di individuare l' indirizzo dello scambio e la modalità di azionamento, dritto o deviato.
I connettori P5 e P6 rappresentano i comando per dritto (P5 - Straight) e deviato (P6 - Diverged) e ogni contatto è relativo alla prima, seconda e terza decina. Il connettore P4 invece conta le unità.

Con un esempio facciamo prima: per comandare lo scambio 7 dritto, collego il pulsante fra il primo contatto del connettore P5 - Straight (dritto) e il settimo contatto del connettore delle decine, per comandare lo scambio 14 deviato, collego il pulsante fra il secondo contatto del connettore P6 - Diverged (deviato) e il quarto contatto del connettore delle decine, infine per comandare lo scambio 20 in dritto collego il pulsante fra il pin 2 di P5 e il pin 10 di P4... credo adesso sia chiaro.

Il progetto utilizza un Arduino Nano, data la semplicità del codice, esso è facilmente applicabile ad Arduino Uno o meglio ancora (vista la quantità di pin) Arduino Mega, con più pin a disposizione il numero di scambi da comandare può aumentare considerevolmente.
Come negli altri progetti inerenti all' interfaccia Xpressnet© ho fatto uso delle librerie di Philipp Gahtow (http://pgahtow.de) al quale vanno i miei ringraziamenti e che possono essere scaricate a questo indirizzo 

http://sourceforge.net/projects/pgahtow/files/Arduino%20%28v1.0%29%20libaries/XpressNet.zip

Se non già installata installare anche la libreria Keypad disponibile nel gestore librerie standard di Arduino.

Nel codice l' indirizzo della periferica Xpressnet è codificato in una definizione fissa:

#define XNetAddress 29 //Adress on XpressNet bus

che ha valore 29, se si hanno altre periferiche con lo stesso indirizzo sul bus Xnet, questo valore va cambiato.

Lo scketch ha commentate le righe per la seriale di servizio usate per il debug.

Decommentare queste righe se necessario per avere una visualizzazione sul terminale seriale.

Se si desidera utilizzare il debug sulla seriale di servizio è necessario dotarsi di un adattare Seriale USB con chip FTDI o similari da collegare ai pin 11 e 12

In questo caso i dispositivi comandabili diventano 24 e non piu' 30.

Il funzionamento dello sketch è molto semplice, in effetti c' è la scansione continua di due tastiere associate ai pin dei connettori P4-P5 e P4-P6, viene rilevata la pressione di un tasto ed inviato un comndo di attivazione/disattivazione dello scambio associato al pulsante premuto.
Lo schema ha  un pulsante collegato al pin A0 per usi futuri, così come il bus I2C (display ?) e due pin A6 e A7 che possono essere associati (nello sketch) ad itinerari precablati.

Per scaricare lo sketch in Arduino è necessario rimuoverlo dalla scheda in quanto la seriale di default è collegata al MAX485 il quale non permette di effettuare regolarmente il download.

Anche per questo progetto ho realizzato un PCB dall'ormai mio consueto fornitore cinese, le piastre sono arrivate in 4 settimane e sono di ottima qualità.

Di seguito una foto del prototipo che ho montato. La versione del PCB che vedete è antecedente allo schema postato ma funzionalmente non ha alcuna differenza.

Il circuito montato e cablato con Arduino Nano

A presto!

Di seguito i link per la realizzazione del progetto

Download skecth per Arduino

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Decoder basic per motori a solenoide con Arduino Nano

Una volta descritto come impartire i comandi per gli scambi nell' articolo precedente, è ora di capire come attuare il comando vero o proprio, ovvero muovere gli aghi degli scambi.
Di seguito è descritto un progetto per pilotare 4 motori a solenoide che utilizza Arduino Nano e un circuito a scarica capacitiva. Lo schema è derivato dagli innumerevoli circuiti che si trovano in rete, mentre lo sketch prende spunto dall'ottimo articolo pubblicato sul sito lucadentella.it ed utilizza le librerie NMRA.
Il decoder ha funzioni minime per pilotare i motori, dal punto di vista della configurazione ha soltanto un parametro: l'indirizzo base del decoder. In pratica il decoder riceve il comando dalla centrale DCC e attiva l' uscita corrispondente all'indirizzo indicato dal comando. Altre funzioni e configurazioni per adesso non sono previste.
Lo schema elettrico è il seguente:

Lo schema è molto intuitivo, il segnale DCC in ingresso sul connettore X2 viene inviato ad Arduino sul pin D2 tramite un foto-accoppiatore 6N137. Per il funzionamento del decoder è necessaria una tensione esterna che può essere alternata dal valore di 12-13V AC, o anche continua di almeno 15V (connettore X1). L' alimentazione a 5V per Arduino  viene fornita da un IC stabilizzatore.
Per ogni motore poi è prevista una coppia di MOSFET IRL540 che hanno la caratteristica di poter essere pilotati da tensioni di gate di valore 0-5V. I motori sono alimentati da un circuito a scarica capacitiva, esso è composto dalla resistenza R7 da 220ohm 5W e dalla coppia di condensatori da 2200uF che provvedono a fornire l' energia necessaria per muovere l' ago. Una volta scaricati, i condensatori impiegano circa 8-10 secondi per tornare alla piena carica e quindi pronti per ricevere un nuovo comando.
Lo sketch è molto semplice,  come ho accennato è derivato dall'ottimo articolo pubblicato da Luca Dentella, cui vanno i miei ringraziamenti, che spiega come realizzare un semplice decoder accessori per pilotare un LED. Inoltre è illustrato molto chiaramente il metodo di indirizzamento MADA/PADA; un'ottima spiegazione è anche riportata nella wiki del noto software Rocrail© di Robert Versluis (link).

Al link sottostante è possibile scaricare lo sketch de decoder al cui interno sono inseriti commenti per rendere il codice comprensibile e modificabile a piacimento.

Il decoder ha un solo parametro di configurazione che è l' indirizzo base, (MADA - Module Accessory Decoder Address) ovvero l' indirizzo comune per le 4 porte del decoder. Tale indirizzo è calcolato con le formule:

addr = (# - 1) / 4 + 1 

port = (# - 1) modulo 4 + 1

dove # è il numero indicante lo switch. Ad esempio lo switch 11: avrà indirizzo 3,5 e porta  3; prendendo le sole parti intere: indirizzo base 3, porta 3

Di seguito una tabella esplicativa:

Switch Number	Indirizzo Base del decoder (MADA)	Porta
1	1	1
2	1	2
3	1	3
4	1	4
5	2	1
6	2	2
7	2	3
8	2	4
9	3	1
10	3	2
11	3	3
12	3	4
13	4	1
14	4	2
15	4	3
16	4	4

L' indirizzo di default del decoder è 1, ovvero il decoder pilota nativamente gli scambi con indirizzo da 1 a 4. Per cambiare indirizzo base basta premere il pulsante S1, il led di al pin 13 di Arduino Nano (quello montato sulla board di Arduino) lampeggierà

ad indicare che il decoder aspetta di conoscere l' indirizzo base, a questo punto basta inviare un comando scambi con indirizzo base pari al valore desiderato per memorizzare il nuovo indirizzo nella EEPROM di Arduino. Se l' operazione è andata a buon fine il led 13 si spegnerà. Al riavvio il decoder avrà il nuovo indirizzo base.
Collegando il cavo usb ad Arduino Nano e visualizzando il monitor all' interno dell' IDE, il decoder fornisce all' accensione i parametri di configurazione:

La data e l'ora indicate sono quelle del caricamento del file dall'IDE, per gli switch gestiti dal decoder vengono indicati gli indirizzi e i pin di riferimento su Arduino.
Per questo decoder ho disegnato anche un PCB dalle dimensioni 100x63mm a 2 layer:

che ho successivamente ordinato ad un' azienda di Hong Kong. Le schede sono arrivate in 20-25 giorni e la qualità è veramente elevata. In basso a destra ho previsto un connettore (JP1) con le uscite del bus I2C per future connessioni di pulsanti e/o interruttore per la gestione manuale o degli itinerari.

Di seguito le foto del prototipo montato:

Download Sketch per Arduino

Download schemi elettrici e elenco componenti

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