Digitalzentralen

aus DerMoba, der Wissensdatenbank für Modellbahner
Version vom 23. November 2008, 06:32 Uhr von Edbert van Eimeren (Diskussion | Beiträge) (Allgemeines zu Digitalsystemen: Eingabegeräte ergänzt)

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Übersicht der gängigen Digitalzentralen.

Dies ist einer von mehreren Artikeln zum Thema Digitalzentralen:

  • Digitalzentralen allgemein
Übersichtsartikel einschließlich Erläuterungen der Spalten und verwendeten Abkürzungen
Digital-Systeme die zur Zeit im Programm der Hersteller und im Prinzip lieferbar sind (ohne Ankündigungen).
Ankündigungen von Digitalzentralen durch die Hersteller. Terminangaben sind mit einer gewissen Toleranz zu betrachten.
Systeme zum selber Löten und Software-Zentralen
Alte und historische Systeme. Das reicht von wenigen Monaten bis zu mehr als 10 Jahren.

 

Dieser Artikel ist eine Übersicht, die neben einer generellen Einführung in das Thema Digital-Zentralen eine Erläuterung der Spalten in den Tabellen der anderen Artikel sowie der dort benutzten Abkürzungen enthält.


Allgemeines zu Digitalsystemen

Ein Digitalsystem besteht aus vielen Komponenten, von denen einige vorhanden sein müssen, andere bei Bedarf hinzugefügt werden.

  1. Eine Zentrale (engl. 'Command Station') ist sozusagen das Gehirn eines Digitalsystems, hier erfolgt die Verarbeitung eingehender Informationen, die Umwandlung in für andere Komponenten verständliche Formen und die Ausgabe an andere Komponenten. Eine Zentrale erzeugt als einzige Komponente das Gleissignal, das letzlich von fest montierten oder beweglichen Dekodern als Steuersignal interpretiert wird.
  2. Ein Verstärker (meist Booster genannt, engl. 'Power Station') fügt dem von einer Zentrale erzeugtem Gleissignal Leistung hinzu, aus dem die Dekoder den Strombedarf für sich selbst und ggfs. für die an sie angeschlossenen Komponenten (Lokmotor, Weichenantrieb, ...) entnehmen. Stromversorgung und Steuersignal auf einer Leitung ist der Teil, der die Verkabelung von Digitalsystemen in vielen Fällen einfacher und übersichtlicher macht als bei konventioneller Steuerungstechnik.
  3. Ein resp. zwei Trafos zur Versorgung von Booster und Zentrale. Dass ein Booster eine Stromversorgung benötigt ist offensichtlich. Aber auch eine Zentrale benötigt eine Stromversorgung:
    • Für ihren eigenen Betrieb inkl. der Anzeigegeräte.
    • Für die Stromversorgung von Eingabegeräten und Rückmeldern.
    • Für den Gleisausgang.
    • Für ein evtl. vorhandenes Programiergleis.
    • ...
  4. Ein Eingabegerät nimmt externe Aktionen auf (z.B. ein Tastendruck) und übermittelt sie an die Zentrale. Typische Eingabegeräte sind Fahrregler, Tastenfelder (z.B. zum Weichen schalten) und Rückmelder. Eingabegeräte können oft auch Meldungen der Zentrale annehmen und darstellen. In diesem Sinne zählt auch ein Computeranschluss zu den Eingabegeräten.
  5. Ein Dekoder empfängt das von der Zentrale erzeugte und dem Booster verstärkte Gleissignal und benutzt das (zumeist) als eigene Stromversorgung. Der Dekoder prüft ob in dem Gleissignal Befehle mit seiner Adresse enthalten sind und reagiert darauf. Befehle, die eine andere Adresse enthalten werden ignoriert.
  6. In der Regel eine Modellbahnanlage, die mit dem Digitalsystem gesteuert werden soll.

Aus Gründen der Platzersparnis und zur Reduktion der Kosten werden oft Zentrale und Fahrregler, Zentrale und Booster oder Zentrale+Booster+Fahrregler in einem Gerät zusammen gefasst.

In den verschiedenen Übersichten zu Digitalzentralen beschränken wir uns auf die Zentrale selber und die eingebauten bzw. zum Lieferumfang gehörenden Komponenten Booster und Fahrregler.


Die Zentrale

Eine Zentrale empfängt, verarbeitet und versendet Informationen. Dazu benötigt sie vielfältige Verbindungen zu anderen Komponenten des Digitalsystems.

  • Ausgang Gleissignal intern/extern
    • Externe Gleisausgänge (zum Anschluss von Boostern) enthalten zumeist weitere Steuerleitungen zur Fehlermeldung und/oder als Einschaltsignal.
    • Systembusse wie LocoNet, CAN-Bus (Zimo, ESU, Märklin, ...) können auf einem Adernpaar das Gleissignal mitführen und sind dann ebenfalls zum Anschluss von Boostern geeignet.
    • In vielen Zentralen gibt es einen zweiten Gleis-Ausgang für ein Programmier-Gleis.
  • Eingang für Eingabegeräte
    • Das ist die für den Benutzer wichtigste Schnittstelle. Die Auswahl an fest einbaubaren oder mobilen Handreglern, kann die Entscheidung für/gegen ein System deutlich beeinflussen.
  • Eingang für Rückmeldungen
    • Wie kommen Rückmeldungen, also die Meldung von Zuständen auf der Anlage, in die Zentrale und ggfs. weiter in den Computer? Gesicherte Fahrstrassen z.B. kann es nur Rückmeldungen über die Belegung der einzelnen Gleisabschnitte geben.
  • Schnittstelle zu einem Computer
    • Diverse Schnittstellen aus dem Computer-Bereich werden dafür eingesetzt.
    • Ein Computer kann mit seinen Kapazitäten wesentlich umfangreichere Steuerungsaufgaben übernehmen, als es die spezialisierten Zentralen (in der Regel) können. Insbesondere die Verknüpfung von Eingaben und Rückmeldung mit (im Computer) gespeicherten Informationen über die Anlage bieten vielfältige Möglichkeiten zum Steuern und Kontrollieren. (Verweis auf Übersicht Steuerprogramme einfügen)

In den verschiedenen Digital-Protokollen ist nur festgeschrieben was auf der Gleisseite geschieht. Das heist es ist festgeschrieben, wie mobile Decoder (Lok / Funktion) und stationäre Decoder (Weichen, Schalter, ...) mit Steuerinformationen zu versorgen sind. Eine darüber hinausgehende Interpretation wie zum Beispiel die Reaktion auf ein Halt zeigendes Signal ist nicht Bestandteil der Digital-Protokolle.

Insbesondere ist in keiner Weise festgelegt, wie Eingaben durch den Benutzer erfolgen sollen oder wie Rückmeldungen in die Zentrale kommen und was dort mit ihnen geschieht. Dadurch hat sich im Laufe der Zeit eine Vielfalt an Schnittstellen für Eingabe und Rückmeldung entwickelt. Es ist also zu beachten, dass Komponenten für die Schnittstelle xyz nur an Systemen funktionieren können, die diese Schnittstelle verwenden. Aber selbst bei gleicher Schnittstelle kann es Einschränkungen geben (unterschiedliche Versionen, Fähigkeiten der Zentrale, ...).


Der Booster

Im Grunde genommen ist ein Booster ein ziemlich dummes Stück Hardware, das nur die eine Aufgabe hat, die eingehenden Signale zu verstärken. Aber selbst da gibt es Unterschiede.

  • Digitalsignale sind über Rechteck-Impulse kodiert. Die sollte ein Booster möglichst wenig verschleifen.
  • Digitalsignale sind im Prinzip symmetrisch (gleiche Amplitude für + und -). Das sollte ein Booster möglichst wenig ändern. Eine der Bremsmethoden ist es, die Asymmetrie des Digitalsignals auszuwerten. (Elegant und mit sehr geringem Aufwand Bauteile an Bauteilen)
  • Ein Booster sollte die Spannung auch unter Last stabil halten.
  • Die Leerlaufspannung (also ohne Last) des Boosters sollte nicht zu hoch sein.
  • Die Ausgangsspannung eines Booster sollte einstellbar sein. Für H0 oder gar N braucht man keine 20V.
  • Ein Booster sollte Überlast und Kurzschluss erkennen und dann abschalten.

Mittlerweile gibt es 'intelligente' Booster, in denen ein Microprozessor werkelt, um obige Parameter zu kontrollieren. Bei einem Anschluss über einen Systembus, können solche Booster meist auch ihren Zustand (Spannung/Strom/Temperatur/...) an die Zentrale melden.

Weiter wachsen die Anforderungen an einen Booster. Für die BiDirektionale Kommunikation bei DCC (und vermutlich auch mfx) wird eine Austastlücke (engl. CutOut) benötigt, in der keine Spannung am Gleis liegt, damit ein Dekoder seine Daten senden kann. Diese Austastlücke darf ein Booster nicht fälschlich als Abschaltsignal interpretieren, damit er für BiDi geeignet ist.
'Intelligente' Booster können zusätzlich einen BiDi/mfx Detektor enthalten und die empfangenen Informationen via Systembus an die Zentrale melden.


Die Eingabegeräte

Eingabegeräte sind die Schnittstelle eines Digitalsystem zur realen (Modellbahn)Welt. Sie haben daher eine große Bedeutung für die Nutzung des Systems. Es gibt im wesentlichen vier Arten von Eingabegeräten:

  1. Fahrregler
    • Einfache Fahrregler, an denen man die Adresse, Geschwindigkeit und Funktionen einstellen kann.
    • Sehr einfache Fahrregler, denen die Adresse zugeteilt wird. Geschwindigkeit und Funktionen für die zugeteilte Adresse kann eingestellt werden.
    • Komplexe Fahrregler, mit denen man Loks und Weichen steuern kann.
    • Sehr komplexe Fahrregler, mit denen man komplette Systeme steuern kann.
  2. Weichenstellpulte einschliesslich 'echter' Stellpulte mit einem abstrakten Gleisbild.
  3. Rückmelder liefern Informationen zum Status der realen Welt. Schnittstelle zur Modellbahnwelt sind insbesondere Belegtmelder, welche die Frei-/Belegtmeldung einzelner Gleisabschnitte über die Rückmelder an eine Zentrale melden.
  4. Computeranschluss zur Automatiserung/Kontrolle des Fahrbetriebs über entsprechende Programme.

Fahrregler und Stellpulte haben eine besondere Bedeutung für das Gesamtsystem, da sie die Schnittstelle des Digitalsystems zum Menschen sind. Hier entscheidet sich, ob ein System gut und einfach zu nutzen ist oder ob es immer wieder kleine oder große Hindernisse gibt. Die Anzeigen auf den Fahrregler reichen von wenigen LEDs über Ziffern für die Lokadresse, wenigen Textzeilen bis zu Vollgrafik-Displays mit vielfältigen Sysmbolen.

Fahrregler existieren als stationäre Geräte, die an einer festen Stelle installiert sind oder als Handregler, die über Kabel, Infrarot oder Funk mit der Zentrale verbunden sind.

Soll ein Digitalsystem auch zur Automatisierung und/oder Sicherung auf der Modellbahnanlage genutzt werden, werden Rückmelder mit integrierten resp. angeschlossenen Belegtmeldern zum unverzichtbaren Bestandteil des Gesamtsystems.


Das Gleissignal

  • Bei allen Digital-Protokollen besteht das Gleissignal aus Bits, also einmal Ja/Nein oder 0/1.
  • Diese Bits werden zu Bytes zusammengefasst (meist gilt 8 Bits = 1 Byte).
  • Aus den Bytes werden Meldungen/Befehle/Kommandos zusammengesetzt.
  • Die Befehle bestehen aus einem Adress- und einem Datenteil.
    • Im Adressteil wird in der Regel zwischen mobilen Dekodern (Lok/Funktion) und stationären Dekodern (Weichen/Schalt/...) unterschieden, so dass sich zwei getrennte Adressräume ergeben.
    • Im Datenteil sind in der Regel das eigentliche Kommando und die Kommando-Parameter enthalten.
    • Kommando-Parameter sind z.B. die (neue) Fahrstufe oder die (neuen) Zustände der Funktionsausgänge.

Die Kodierung der Bits und die Zusammenstellung der Bytes kann auf vielfältige Weise erfolgen.
Zumeist wird ein Rechtecksignal verwendet, das durch unterschiedliche Dauer, Abfolge oder Palaritätswechsel die Bits darstellt.
In der Regel wird immer die volle Gleisspannung mit +/- an das Gleis gegeben. Das ermöglicht es über einen Booster die notwendige Leistung zusammen mit dem Digitalsignal zum Decoder zu bringen.

Die digitale Kodierung und die direkte Adressierung einzelner Dekoder unterscheidet Digital-Protokolle von früheren Mehrzug-Systemen, die z.B. mit mehr als zwei Zuleitung Trafo-Lok oder mit mehreren Frequenzen arbeiteten. Ein-/Aussschalten von Funktionen war mit diesen früheren System nur begrenzt möglich.

 

Spaltenbeschreibung

Hersteller Gerät

Name des Herstellers in Kurzform. Nach diesem Namen sind die Tabellen zeilenweise sortiert.
Name des Gerätes unter dem es bekannt ist. Bestellnummer werden nur in Ausnahmenfällen (z.B. zur Eindeutigkeit) in Klammern hinzugefügt.

Protokoll

Die Digital-Protokolle auf der Gleisseite, die von diesem Gerät unterstützt werden.
Im Abschnitt Abkürzungen findet sich eine Liste der Protokolle.

Protokoll/BiDi

(Nur bei Selbstbauzentralen) Zusätzlich zu den Digital-Protokollen wird aufgeführt, ob die Zentrale bidirektionale Kommunikation nach NMRA unterstützt, siehe auch Abkürzungen.
Wenn die Zentrale über einen globalen Detektor verfügt, so steht in der Spalte "ja". Kann sie nur die notwendig Austastlücke erzeugen, so steht in der Spalte "CutOut".

Regler Fest / Hand

Anzahl der eingebauten Fahrregler resp. Anzahl der im Lieferumfang enthaltenen Handregler

Display

Von einer Status-LED über wenige Ziffern/Zeilen bis hin zum farbigen Vollgrafik-Display ist alles vertreten.

Booster intern

Ist ein Booster eingebaut, gibt es hier die Angaben zu Strom und Spannung und ob diese stabilisiert sind. Wenn ein Hersteller nicht angibt, ob der interne Booster stabilisiert ist, kann man vermuten, dass er das nicht ist.

Anschluss Booster extern

Es gibt mehrere Varianten einen externen Booster anzuschliessen:
  1. 3-polig (Daten, Masse, Kurzschluss) (DCC Norm)
  2. 5-polig (Daten, Masse, Booster ein, -, Kurzschluss) (Märklin Art)
  3. Über das eigene Bussystem wie bei LocoNet, ECosLink und dem Zimo CAN-Bus.
    Dies erlaubt einen Informationsaustausch zwischen Boostern und Zentrale.
  4. Über einen spezifischen Stecker, dessen Belegung/Arbeitsweise nichts bekannt ist.
    Dies ist bei LGB, Roco, Tams und etlichen anderen der Fall.
  5. Gleissignal (Zweidraht-Anbindung)
    Das Gleissignal kann als Eingangssignal für einen Booster verwendet werden. Allerdings werden alle Störungen, die in das Gleissignal eingekoppelt werden, automatisch mit verstärkt. Weiter ist damit keine Kurzschluss-Meldung an die Zentrale möglich.
Ein Anschluss nach Punkt 1 und/oder 2 ist an vielen Systemen vorhanden (ggfs. zusätzlich zum eigenen System-Anschluss) um möglichst viele Booster verwenden zu können.
Ein Anschluss nach Punkt 3 wird mit dem Namen des Bussystems bezeichnet.
Eine Zentrale kann mehrere Anschluss-Arten parallel oder umschaltbar anbieten.
Ist die Anschluss-Art nicht eindeutig klar steht in der Spalte "ja" / "?" / "-" (was auch immer passt).

Eingabe/Rückmelde-Bus

Zentralen können keinen, einen oder mehrere Busse für Eingabe (Fahrregler, Keyboards, Interface, ...) und/oder Rückmeldung anbieten. Nicht genannt werden Busse, die nur über Adapter zugänglich sind.
Siehe hierzu die Liste der Busse im Abschnitt Abkürzungen

Decoder einstellen/auslesen

Decoder können auf einem Programmiergleis ("Prog") oder im laufenden Betrieb auf dem Hauptgleis ("POM", Programming On Main) eingestellt werden.
Decoder konnten bis ca. 2005/2006 nur auf einem Programmiergleis ausgelesen werden.
Neue Entwicklung wie die BiDirektionale Kommunikation bei DCC oder das mfx-Protokoll von Märklin erlauben den Decodern Informationen an die Zentrale zu senden (Quittung, Adresse, Wert, Zustand, ...).
Zur Zeit stehen in dieser Spalte meist "ja", "-" oder bekannte Einschränkungen. In Zukunft wird das etwas detaillierter angegeben werden.

Mehrfachtraktion

Angaben ob Mehrfachtraktionen über die Zentrale (jede Lok einzeln angesteuert) und/oder durch die Verbund-Adresse im Decoder (alle Loks mit einem Befehl angesteuert, nur bei DCC) gebildet werden.
Ggfs. Anzahl der Mehrfachtraktionen und wieviele Loks enthalten sein können.

Interface eingebaut/anschließbar

Bei einem eingebauten Interface wird die Art des Computeranschlusses (RS232 / USB / Ethernet, ...) angegeben.
Für externe Interface steht nur "ja" oder "-", da die Entwicklung fliessend ist und oft auch 'systemfremde' Interfaces funktionieren.

Software Update via

Digitalzentralen enthalten ein Programm, das festlegt, was diese Zentrale im Einzelnen macht.
Um das Verhalten einer Zentrale zu ändern/erweitern, muss das Programm ausgetauscht werden.
Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten:
  • Hardware (Platine) inkl. Prozessor und Programm austauschen.
  • Prozessor (mit integrierten Programmspeicher) austauschen.
  • Programmspeicher (PROM, EPROM, EEPROM) auf der Platine wechseln.
  • Inhalt des Programmspeicher über Interface + PC + Ladeprogramm aktualisieren.
  • Inhalt des Programmspeicher über einen USB-Stick oder einen Direktanschluss an das Internet aktualisieren.

Bemerkungen

  • "Max. xxx Loks aktiv" bedeutet, das maximal xxx Loks gleichzeitig gesteuert werden können.
Die Zahl der Loks für die eine Zentrale Einstellungen speichern kann, ist davon unabhängig.
  • Alles was wichtig ist, aber in die anderen Spalten nicht reinpasst.
Einschränkungen, Besonderheiten, Querverbindungen, Planungen, Updates, Erweiterungen, ...

 


Abkürzungen

Übersicht über in den Tabellen verwendete Abkürzungen. Die Erklärungen sind innerhalb eines Bereichs alphabetisch sortiert.

Protokolle

BiDi Bi-Directional Communication
  • von der NMRA empfohlenes Protokoll für die Zwei-Wege Kommunikation bei DCC.
  • Liefert Informationen zu Adresse, CV-Werten, Zustand, Verbrauch, ...
DCC Digital Command Control
  • von der NMRA genormtes Digital-Protokoll
  • Wird wegen der klaren Definition und der damit verbundenen Austauschbarkeit von vielen Herstellern eingesetzt. Es sind keine Lizenzabgaben notwendig. Aus historischen Gründen wird es meist bei Zweileiter-Systemen verwendet.
  • 9999+ Lokadressen, 1024 Weichenadressen
FMZ Fleischmann Mehrzug Steuerung
  • 119 Adressen für Lok- und Weichen-Decoder (je 4 Weichen/Signale)
  • Wird seit einigen Jahren nicht mehr weiter entwickelt.
MM Märklin Motorola
  • altes Märklin Protokoll
  • Soweit notwendig wird nach MM1 (nur Licht, relative Richtung) und MM2 (Licht, 4 Funktionen, absolute Richtung) unterschieden.
  • 80 Lokadressen, 256 Weichenadressen. Fremd-Decoder ermöglichen teilweise auch 255 Adressen.
mfx multifunktion extra
  • Protokoll von Märklin Systems
  • 16000+ Adressen, Rückkanal Dekoder -> Zentrale
SX Selectrix
  • Protokoll von Trix
  • 112 Adressen für Lok-/Weichen-Decoder (je 8 Weichen/Signale) und Rückmelder (je 8 Zustände)
  • Sehr kompakt (2 Byte je Befehl), dadurch schnell aber auf die vorgegeben Werte begrenzt.


Busse

CAN Controller Area Network
  • Bus nach einem Industriestandard
  • Wird von mehreren Herstellern unter verschiedenen Namen mit unterschiedlichen Protokollen / Geschwindigkeiten verwendet.
I2C Inter Integrated Circuit
  • Ein-/Ausgabebus der Märklin Control Unit
  • Wird von Uhlenbrock/Fleischmann/Arnold zum Anschluss von Märklin Komponenten verwendet.
LocoNet Locomotion Network ?
  • Bussystem von Digitrax für Eingaben und Rückmeldungen.
  • Wird auch von Uhlenbrock / Fleischmann / Piko benutzt.
PX–Bus Booster-Bus für Trix Selectrix
RS-Bus Rückmeldebus von Lenz
S88 Rückmeldebus von Märklin.
  • Wird wegen seiner Einfachheit / Verbreitung von mehreren Herstellern verwendet.
Speedbus Viessmann-Bussysteme mit
  • V-Bus (HighSpeedBus HSB) für Fahrregler / Adapter und so weiter
  • Schaltbus (LowSpeedBus LSB) für Rückmelder / Decoder / Gleisbildstellpult.
  • Der LSB unterstützt X–Bus Geräte wie Rückmelder von Roco und Handregler von Lenz/Roco/...
SRCP SimpleRailroadCommandProtokol
  • Protokoll zur Kommunikation von Modellbahn-Steuerungen und Software über TCP/IP (z.B. Ethernet)
  • Wurde im Rahmen des Digitalprojektes auf DER_MOBA entwickelt.
SX–Bus Eingabe-/Rückmelde-Bus von Trix Selectrix
  • Durch das Protokoll auf 112? Adressen (2 Byte je Kommando) begrenzt und dadurch sehr schnell.
  • SX-Zentralen implementieren teilweise einen 2ten SX-Bus für Weichen und Rückmelder, um volle 112 Adressen für die Loksteuerung zu haben.
X–Bus eXchange / eXtreme / eXpress / ... ?
  • Eingabebus von Lenz (heute XpressNet)
  • Varianten des X–Bus werden von verschiedenen Herstellern eingesetzt.


Digitalbegriffe

BiDi Bi-Directional Communication
  • DCC-Empfehlung zur Zwei-Wege Kommunikation, auch unter dem Markennamen RailCom bekannt.
  • Decoder können über das Gleis Informationen senden.
  • Geräte (lokaler Detektor, Zentrale, PC, ...) können die Informationen empfangen und auswerten.
NMRA National Model Railroad Association
  • Amerikanische Modellbahn Vereinigung. Legt über einen demokratischen Prozess die Normen und Empfehlungen in allen Bereichen der Modellbahn fest.
NEM Normen Eropäischer Modellbahner
  • Die NEM ist das europäische Gegenstück zu den "Standards and Recommandation" der NMRA.
  • Aufgrund der Unterschiede bei den Vorbildern und dem Umfeld für Modellbahnen (Platz, ...) unterscheiden sie sich teils erheblich.
  • Im Bereich der Digital-Protokolle übernimmt die NEM in der Regel die DCC-Empfehlungen der NMRA bzw. bei anderen Protokollen die Vorgaben der Hersteller.
POM Programming On Main (track)
  • DCC-Empfehlung zum Programmieren auf dem Hauptgleis


Computer/Hardware

Ethernet Lokales Netzwerk mit Kabel (LAN, 10-1000 MBit) oder mit Funk (WLAN, 11/54/300 MBit)
LED Light Emitting Diode
LCD Liquid Cristal Display
OLED Organic Light Emitting Diode (wird bei Digitalzentralen zur Zeit noch nicht verwendet.)
RS232 alte serielle Schnittstelle (auch V.24 genannt)
USB Universal Serial Bus, moderne, schnelle serielle Schnittstelle