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

Per chi fosse interessato ai files gerber per la realizzazione del PCB ne faccia richiesta tramite il modulo di contatto del blog in Home Page, riceverete un link ai files necessari.

Controlliamo gli scambi con Arduino su Xpressnet

Dopo la pubblicazione del palmare Multiloco per sistemi Xpressnet©, molti mi hanno chiesto di dotare lo stesso della capacità di poter pilotare gli scambi.
L' esigenza del palmare multi loco, come ho avuto modo di spiegare nel primo articolo, è nata dal fatto di poter avere a disposizione i comandi "basic" a portata di mano per controllare più di una loco, su plastici medio piccoli, senza alcuna navigazione in menù o combinazioni di tasti.
Dotare il Palmare Multiloco della funzionalità di comando scambi avrebbe un pò fatto venir meno questo principio per cui ho preferito venire incontro alle esigenze di qualche amico pensando ad un progetto ex-novo, ovvero un Arduino che avesse la possibilità di pilotare gli scambi tramite una serie di pulsanti.
Il progetto che verrà descritto quindi è un controllore di scambi per sistemi basati sul protocollo Lenz Xpressnet©, qualcosa di simile a quanto già progettato e pubblicato da Paco Canada con il suo "XTCO".
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.
Anche in questo caso ho fatto uso delle librerie di Philipp Gahtow (http://pgahtow.de) che ancora una volta è stato molto disponibile nel fornire supporto e al quale vanno i miei ringraziamenti.

Lo schema è il seguente:

Schema di connessione

Lo schema riporta solo 4 degli 8 pulsanti che sono stati configurati nello sketch, esso rappresenta effettivamente il prototipo che ho realizzato per le prove.
Per connettersi al bus Xpressnet© è stata utilizzata l' interfaccia del palmare Multiloco con qualche lieve modifica per aggiungere un LED che indica la presenza della tensione 5V:

Lo sketch da caricare su Arduino è molto semplice, in pratica viene letto in loop lo stato dei pulsanti e quando viene rilevata la pressione di uno di questi cambia lo stato dello scambio ad esso associato.

Ogni pulsante quindi agisce da "toggle" per lo scambio cui è stato associato: premendo il pulsante lo scambio cambia stato, da corretto tracciato va in deviato o viceversa. La scelta di un solo pulsante per scambio (e non due pulsanti associati alle due condizioni, "corretto tracciato" e "deviato") è stata fatta per avere un numero sufficiente di scambi pilotabili da Arduino Nano che mette a disposizione un discreto numero di pin I/O (D3-D13 digitali, A0-A7 Analogici). Lo scketch proposto configura 8 pin come input:

int turnout_pin[num_turnout] = { 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

questa riga di codice elenca i pin associati ai pulsanti. Nulla vieta di aggiugere altri pin, occorre però ricordarsi anche di aggiornare la variabile di configurazione che indica il numero di scambi gestiti da Arduino:

#define num_turnout 8

Ad ogni scambio va poi associato un indirizzo che corrisponde all' indirizzo del decoder cui è connesso il motore dello scambio stesso.

E' necessario fare una premessa: in ambito DCC, ci sono diversi modi di gestire l' indirizzamento dei decoder accessori (PADA, MADA etc), quello utilizzato dipende dalle varie centraline in commercio o autoscostruite che fanno parte del nostro impianto. Un'ottima spiegazione è riportata nella wiki del noto software Rocrail© di Robert Versluis (link).
In pratica può capitare che uno stesso decoder sia visto con indirizzi diversi a seconda del dispositivo che lo piloti: ad esempio nel mio impianto, che è equipaggiato con la centralina NanoX di Paco Canada, uno stesso scambio ha indirizzi diversi se viene comandato dall' XTCO di Paco Canada o dal software RocRail© tramite interfaccia PC.

Nello sviluppo dello sketch, utilizzando le librerie di Philipp Gahtow, ho riscontrato ancora una differenza: per muovere lo scambio programmato con indirizzo 2, ho dovuto indicare come indirizzo 5 e così via per tutti gli altri: esiste una differenza di "3" costante. Probabilmente ciò avviene perchè i vari costruttori/programmatori interpretano gli indirizzi di partenza da 0 o da 1 con logiche e principi diversi. L'unica cosa è... provare!

Fatta questa premessa, l' indirizzo associato ai vari pulsanti/pin è contenuto nella variabile:

int turnout_pin[num_turnout] =  { 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

int turnout_add[num_turnout] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,  8}; 

l' array che contiene gli indirizzi segue quello che indica i pin, al pin 3 è associato l' indirizzo 1, al pin 4 indirizzo 2 etc.
Per ovviare alla differenza di indirizzi che si può avere fra l' indirizzo del decoder e l'indirizzo che effettivamente viene inviato dallo sketch alla centralina è stata utilizzata la variabile:

int address_offset = 3;

tale valore viene somamto all' indirizzo programmato nella variabile turnout_add[num_turnout] e può essere cambiata a seconda delle esigenze. Come ho anticipato, occorre fare delle prove per definire l' esatto valore della variabile "address_offset".

Arduino Nano dispone di una sola porta seriale e nel progetto descritto in questo articolo essa è utilizzata per scambiare messaggi sul bus Xpressnet tramite il chip MAX485. Allo stesso tempo però tale interfaccia è quella utilizzata da Arduino per caricare gli sketch da PC, poichè il MAX 485 se connesso ad Arduino non permette a questi di colloquiare con il PC tramite la porta USB, occorre disconnetterlo ogni volta che vogliamo caricare un nuovo sketch sul nostro Arduino Nano.

Questa una foto del prototipo realizzato:

LINK AL FILE .INO PER ARDUINO

LINK ALLO SCHEMA IN FORMATO FRITZING

Custodia per palmare Multiloco XpressNet con stampa 3D

Definite le funzionalità tecniche del palmare è ora di progettare una degna custodia per tutta l'elettronica.
Per questo ho deciso di sfruttare le potenzialità della stampa 3D con tecnologia FDM, economica e flessibile. Dato che non ho trovato nulla che mi soddisfacesse nel cloud già pronto ho deciso di progettare l'enclosure ex novo.
Per la realizzazione del disegno 3d ho utilizzato Autodesk Fusion 360, software molto potente di modellazione 3D che, per usi personali ed altre situazioni è gratuito. Consiglio di leggere i termini di licenza per verificare se ricadete nell'utilizzo gratuito del software.

Per prima cosa ho disegnato un faceplate per verificare le finestre di alloggiamento della tastiera e del display e per avere un'indicazione di massima degli ingombri. Lanciata la stampa i risultati non si fanno attendere.

Definito il posizionamento inizio a progettare la custodia, composta da due pezzi e con le apposite torrette di fissaggio per tutta l'elettronica.

Bottom con le torrette di fissaggio dell'elettronica

Elettronica in loco

Bottom con le finestrature per i componenti

I files .stl da stampare sono diponibili su Thingiverse cliccando sul collegamento qui sotto

Files .stl custodia palmare multiloco

Palmare Xpressnet Multiloco - Aggiornamento

Nell'articolo precedente è stato presentato un Palmare Multiloco basato su Arduino Mega per sistemi digitali DCC Xpressnet© capace di controllare tre loco con tre manopole diverse e mettendo a disposizione i comandi essenziali, ovvero cambio dell' indirizzo DCC, direzione di marcia, luci. Oltre a ciò nella prima versione il palmare ha anche la funzione di lettura delle CV.

Il presente articolo descrive la nuova release software che aggiunge la funzionalità di scrittura delle CV.

Come descritto nell’articolo precedente, il palmare entra nella modalità “Service mode” premendo il tasto “D”. Il display mostrerà la schermata come in figura:

Per leggere una CV occorre ruotare la manopola dell’encoder 1 per selezionare il numero della CV da leggere e poi premere il pulsante dello stesso encoder per attivare l’operazione di lettura vera e propria.

Il valore letto sarà visualizzato come in figura.

Per scrivere una CV occorre ruotare la manopola dell’encoder 2 per selezionare il numero della CV da leggere e la manopola dell’encoder 3 per selezionare il valore da programmare, successivamente premere il pulsante dell’encoder 2 per attivare l’operazione di scrittura.

Il palmare visualizzerà il valore appena scritto nella riga dedicata alla lettura.

Premendo il tasto 'D' si torna alla schermata di controllo.

A presto 😉

Sketch Arduino palmare multiloco v1.2 19.03.2019 

Un palmare multi loco per sistemi Xpressnet con Arduino Mega

Il progetto descritto di seguito riguarda un palmare per sistemi digitali che utilizzano il protocollo Lenz Xpressnet© tipico dei sistemi Roco, basato su Arduino Mega.
L’ idea parte dall’esigenza dei poter avere sottomano il controllo di più loco, ciascuna con la classica manopola dedicata. Tutti i palmari infatti hanno un solo potenziometro o encoder, e per poter controllare più loco occorre sempre scorrere un menù o cambiare indirizzo. Questo palmare invece mette a disposizione tre manopole dedicate e 4 tasti per ogni loco per i controlli essenziali della marcia (cambio di indirizzo, velocità, stop loco, cambio direzione, luci) in maniera diretta, i comandi cioè sono sempre disponibili. E' possibile inoltre leggere le CV del decoder.
Il progetto prevede come anticipato l’utilizzo un Arduino Mega (ho usato un clone cinese con interfaccia seriale/USB basata sul chip CH340) a causa dell’elevato numero di I/O richiesti e per eventuali espansioni future, una tastiera 4x4, un display LCD a 4 righe e 20 colonne con interfaccia I2C, tre encoder rotativi e un semplice circuito di interfaccia per il bus RS485 per connettersi al bus Xpressnet©.
Il software è molto semplice e intuitivo, esso utilizza le librerie messe a disposizione di Philipp Gahtow sul suo sito internet http://pgahtow.de al quale rinnovo i ringraziamenti per il supporto. Lo sketch può essere facilmente modificato per aggiungere altre funzioni, inserire altri encoder etc. Le funzioni della libreria di Philipp sono di facile comprensione una volta lette le direttive del protocollo.
Lo schema dei collegamenti è il seguente:

Lo schema dell’interfaccia con il busRS485 si basa sul chip MAX485 (o equivalente), anch’ esso molto comune in rete, è indicato nella figura seguente:

Il circuito fornisce l’alimentazione ad Arduino e al display sfruttando la tensione +12V messa a disposizione dal bus Xpressnet©, i pin TX/RX vanno connessi all’ interfaccia seriale 1 di Arduino, il pin EN che abilita/disabilita la trasmissione al pin 25.
Le connessioni con la tastiera e con gli encoder sono indicate all’ interno dello sketch. 
Il codice come anticipato è molto semplice, dopo la parte di inizializzazione, il loop principale prevede ciclicamente le seguenti operazioni:

I tasti del tastierino 4x4 sono organizzati in modo che ogni colonna numerica è relativa a ciascuna delle tre loco controllate dal palmare, mentre le righe rispettivamente controllano l’indirizzo della loco (prime due righe), la direzione (terza riga) e le luci (quarta riga). Il tasto “A” agisce come Stop di emergenza togliendo tensione ai binari, con il tatìsto "D" si entra in Service Mode per la lettura delle CV:

Gli encoder regolano la velocità della loco, premendo la manopola a mo’ di pulsante (tutti gli encoder hanno la funzione “push-button”) la velocità passa istantaneamente a 0.

Allo start-up il display visualizza la scritta di benvenuto e la data/ora della compilazione del file caricato su Arduino, un modo per tener traccia della versione sw caricata. Successivamente vengono visualizzate le info delle loco controllate:

Per ogni loco sono visualizzate le seguenti info: indirizzo, direzione, stato delle luci e velocità. Sulla parte desta sono indicati gli step attualmente in uso e in basso lo stato di alimentazione dei binari.
Il palmare utilizza di default la modalità a 28 step, tuttavia allo start-up tenendo premuto il tasto “D” è possibile cambiare gli step, il software infatti visualizza la schermata seguente:

Agendo sui tasti “A” e “B” si possono scegliere le seguenti modalità:

0  – 14 step

1  – 27 step

2  – 28 step (default)

3  – 128 step

Una volta scelto il numero di step con cui operare, premendo il tasto “D” il palmare va nella modalità operativa. La scelta degli step non è memorizzata in EEPROM.
Il palmare permette anche la lettura delle CV se connesso alle centrali dotate di tale funzione (purtroppo il Lokmaus/Multimaus non forniscono feedback). Premendo il tasto “D” si entra in Service Mode:

Agendo sul encoder 1, si potrà scegliere la CV da leggere e premendo la manopola a mo’ di pulsante verrà visualizzato il valore della CV:

Una volta terminate le operazioni di lettura, premendo il tasto “D” si ritorna alla modalità operativa.
Ecco l' elenco dei componenti:
-  Arduino Mega (per il prototipo è stato usato un clone)
-  Display LCD 20x4 con interfaccia I2C come questo
-  Keypad 4x4  link
-  Encoder rotativo KY-040 link

Per l 'interfaccia con il bus Xpressnet, i componenti da assemblare sono i seguenti:
- Connettore RJ-12
- circuito integratro MAX485 o equivamente
- circuito integrato LM7805  (case TO220)
- 2 condensatori 100uF 25V
- 1 diodo 1N4004 o equivalente

Queste alcune foto della realizzazione del prototipo:

Aggiornamento 19/03/2019

Antonino ha aggiornato il suo palmare con una comodissima funzione per la scrittura delle CV, trasformando di fatto il palamre TriLok in una completa stazione DCC! Cliccate sul link qui sotto per leggere il post corrispondente.

Aggiornamento con funzione scrittura CV

Sketch Arduino palmare multiloco v1.2 19.03.2019 

Schema elettrico interfaccia XpressNET

File Fritzing collegamento componenti

A presto!