Hodinová ústredňa

Požiadavky

Obvyklé analógové hodiny sú napájané impulzami oboch polarít 12V, 24V a existujú aj modely na 48V, prípadne vhodným prepojením cievok pohonu je ovládacie napätie voliteľné. Jednu takú úpravu si môžete pozrieť tu. V BA používame digitálne hodiny, ktoré komunikujú dátovou zbernicou IBIS, čo je štandard používaný v európskych dopravných prostriedkoch. IBIS hodiny majú 6 cifier vo formáte HH:MM RR, kde RR zobrazuje aktuálne nastavenú rýchlosť. Zdroj hodinových impulzov pre nás teda okrem analógových impulzov oboch polarít musí generovať aj IBIS dátovú vetu s určitými parametrami. Použitie iného dátového štandardu je samozrejme možné, podľa toho je potrebné zmeniť časť SW a elektrické úrovne logických signálov. Chvíľu sme síce maturovali okolo IBIS zbernice a jej protokolu pri vývoji, ale nakoniec sa nám komunikáciu odhaliť podarilo a podľa požiadaviek BA klubu na zakázku Zdeno Janeček vyrobil prototyp hodinovej ústredne, vrátane programového vybavenia.

Zdroj impulzov nazývam ústredňa, aby bol jasný rozdiel voči DCC centrále, hoci pri stretnutí máme ešte aj telefónnu ústredňu, ale o tej diskusia väčšinou nie je… Takže ústredňa (hodinová) v tomto zapojení signál len vysiela a nestará sa o prípadné ďalšie informácie komunikované po IBIS zbernici.

Procesor spolupracuje s klávesnicou a displejom a pomocou relátok generuje analógové impulzy, pomocou tranzistora spínaného o zem vysiela IBIS dáta. Namiesto prúdového zdroja pre zbernicu bol pôvodne použitý len rezistor, ústredňa mala vyvedené signály na RJ12. Tri rozličné signály (IBIS, +-24V a +-12V) boli teda prítomné na troch pároch pinov jedného konektora RJ12 a vyžadovalo to redukciu. Neskôr som prototyp prepracoval. Prúdový zdroj zbernice je už plnohodnotný, aby bolo možné napájať aj viacero digitálov. Cvakajúce relátka som nahradil výkonovým operačným zosilňovačom. Komfortnejšie používanie výstupov zabezpečujú 3 výstupné konektory CINCH, oddelene pre IBIS a oba analógové výstupy na ľavej strane krabičky. Priamo do konektorov je možné nasadiť CINCHové rozdvojky, prípadne signál rozbočiť ďalej po trase bežne dostupnými signálnymi CINCH káblami. Doplnil som aj krátkodobé podsvetlenie displeja cez tlačítko.

Schéma zapojenia a jej popis

Procesor je spojený s displejom cez porty C.0 - C.5, klávesnica cez porty B.0-B.7 a výstupy sú na portoch D.0 - D.2. Port D.1 je TXD hardwarového USARTU, takže je zrejmé, že tento pin pôjde na IBIS. V pôvodnej Zdenovej schéme bol prúdový zdroj pre IBIS nahradený len rezistorom, v druhej je na tento účel už 7805 v známom zapojení a dáva približne 50mA. Normou je stanovených až 100mA, ale v našom prípade stačí aj menej – v prípade potreby zmenou odporu je to možné ľahko zmeniť. Pred prúdovým zdrojom je prepojka, ktorá umožní zbernicu nenapájať v prípade, že je prúdový zdroj zabezpečený z iného miesta na zbernici (nepravdepodobné). Zvyšné porty D.0 a D.2 v pôvodnom zapojení cez tranzistory spínali relátka, teraz sú na ne napojené dva výkonové operačné zosilňovače LM272M (1A), ktoré sú napájané každý iným napätím (15V a 24V) a napájajú výstup v mostíku, čiže do záťaže (hodín) sa dostáva striedavo opačná polarita signálu. Ich výstupný výkon je dostatočný aj pre väčší počet hodín, bežné analógové hodiny majú totiž impedanciu v rozsahu mnoho stoviek ohmov až jednotky kiloohmov. Tak je možné prevádzkovať súčasne hodiny dimenzované na +-15V, +-24V i IBIS.

Všetky výstupy OZ sú chránené obojsmernými transilmi 30V proti impulznému prepätiu, vznikajúcemu pri spínaní indukčnej záťaže a rezistormi, lebo aj krátkodobý skrat má pre tento typ fatálne dôsledky (vyskúšal som) – pri káblovaní hodín či už cez FastOn konektory alebo krokodílky je veľmi jednoduché skrat urobiť. Skratová ochrana rezistormi v hornej schéme rieši najčastejší prípad spojenia oboch vývodov jedného konektora, teda medzi výstupmi dvoch OZ v mostíku, ale kvôli dôkladnejšiemu ošetreniu a teda väčšej „blbovzdornosti“ Zdeno odporúča výstupy OZ chrániť jednotlivo aj napríklad voči spojeniu s iným výstupom/napájaniu/zemi.

Odber zariadenia je okolo 120mA vrátane zapnutého podsvietenia bez pripojených hodín. Napájací zdroj používa stabilizátory typu 78XX. Keďže na vstupe je mostíkový usmerňovač a kondenzátor 1000uF/35V, je možné napájať obvod jednosmerným zdrojom v rozsahu zhruba 27-33V, striedavým o niečo nižším. Ak je potrebné napájať len hodiny IBIS alebo len +-15V, postačuje zodpovedajúco nižšie napájanie. Horná hranica je daná maximálnym napätím relatívne rozmerného filtračného kondenzátora. V prípade zaručeného jednosmerného napájania je možné kondenzátor neosadiť a ísť až do 40V, čo je maximálna hodnota pre 7824. Zvyšovaním napájania však rastie zbytočne aj tepelná strata, 7824 potrebuje mať na vstupe 27-28V= pre spoľahlivú stabilizáciu. Stabilizátory sú zapojené postupne v sérii 7824-7815-7805 kvôli rovnomernejšiemu rozdeleniu tepelnej straty. Podsvetlenie displeja je napojené na displej cez tlačítko kvôli minimalizácii tepelnej straty, pretože kompletné podsvetlenie potrebuje až 50mA a potrebujeme ho aj tak veľmi zriedkavo.

Funkcia zariadenia

Program okrem vyhodnocovania klávesnice a posielania údajov na displej zabezpečuje to, že pri zmene času o minútu prehodí polaritu na analógových výstupoch a pošle zmenený čas na výstup digitálny.

• Nastavenie času. Toto nastavenie sa samozrejme premietne okamžite len na digitáloch, spriahnuť analógové hodiny a čas na ústredni je potrebné ručne. Najjednoduchšie je nastaviť ústredňu na čas, ktorý ukazujú hodiny a potom ich pretáčať už synchrónne.
• Zastavenie času na neobmedzenú dobu a jeho uvoľnenie, zastavenie času sa potvrdzuje cez áno-nie. Počas tohoto času sa periodicky posiela na digitály stále rovnaký čas, aby sa digitály neposunuli vstavaným hodinovým obvodom (RTC).
• Nastavenie rýchlosti od 1 po 99. Rýchlosti nad 60 už nezodpovedajú nastavenej realite, ale ani nemajú význam, keďže analógové hodiny mechanicky viac ani nestíhajú a digitálne tiež neočakávajú zmenu času každú sekundu alebo dokonca častejšie.
• Pretočenie analógov. Toto je úplne nezávislé na nastavení času a rýchlosti. Ak po odjazdení grafikonu sa hodiny dostali na čas napríklad 19:27 a ďalší grafikon má začať o 06:00, tak je potrebné zadať na pretočenie hodnoty 19:27 a napríklad 05:50. Toto je veľmi užitočná funkcia, ak máme na hodinách sklo/plexisklo. Inak je samozrejme pohodlnejšie otočiť ručičky ručne.

Po zapnutí napájania ústredňa ukazuje 6:00 a je nastavená na rýchlosť 1.

Po stlačení nastavenia času (B) sa zobrazí nasledovný dialóg:

Po naťukaní času 5:55 ústredňa požaduje potvrdenie….

…a následne už ide po zmene času naďalej rýchlosťou 1.

Keďže asi rýchlosťou 1 jazdiť nebudeme, potrebujeme ju zmeniť cez tlačidlo C…

…a očakávané sú dve číslice, čiže pre šesťnásobnú rýchlosť musím naťukať 06. Opäť ústredňa požaduje potvrdenie a…

…po stlačení A ako áno už bude displej ukazovať nový čas s novým zrýchlením.

Ak potrebujeme zastaviť čas, stlačím nulu, opäť je vyžadované potvrdenie…

…a po potvrdení cez A na displeji roluje nápis, že sú hodiny pozastavené a pre ich uvoľnenie je potrebné stlačiť hviezdičku.

Pretočenie analógových hodín je možné urobiť ručne, čiže nastavím vysokú rýchlosť a proces zastavím po dosiahnutí požadovaného stavu, ale ústredňa to dokáže aj lepšie. Po stlačení D sa opýta na starý (aktuálny čas) na analógových hodinách, čiže je to napríklad 04:44 a…

…na požadovaný čas, v tomto prípade 05:50.

Bez ďalšieho varovania ústredňa začne posielať 66 impulzov, ktoré priebežne zobrazuje.

Podsvietenie displeja cez tlačítko je krátkodobé, predchádzajúce obrázky boli robené na dobrom osvetlení, ale ďalšie dva sú na ukážku v šere, pričom druhý z nich je pri zapnutom podsvietení.

Ďalšie plány

Veľké digitály a analógy sú spravidla umiestnené po obvode miestnosti vo výške 2,5 až 3 metre, aby bol na ne pohodlný výhľad z každého miesta. Pre väčšie pohodlie by sa však zišli malé hodiny aj do staníc, najmä na tých stretnutiach, kde sa používa len jeden Big-ben (centrálne umiestnené hodiny v strede miestnosti). Prototyp je už na svete. LED displeje vysoké 25mm sú rozumným kompromisom medzi dobrou čitateľnosťou aj diaľky niekoľko metrov a stále pomerne malým rozmerom hodín (krabička má 12x5x3cm). Hodiny vedia spracovať analógové napäťové impulzy +-12V +-24V a IBIS signál, rozlišovanie medzi nimi je dané časovou konštantou zmien. Dvoma malými tlačidlami na pravom boku je možné nastaviť čas a prepínať režim medzi modelovým zrýchleným časom (FASt) a reálnym (rEAL), režim sa po zmene na displeji zobrazí asi na 2 sekundy. Na obrázkoch je vidieť pokusy s farbou displeja - zelený je príjemnejší, červený je zasa úspornejší pri podstatne vyššom jase. Na displejoch bude kvôli kontrastu farebné plexisklo.

Úpravou SW by bolo možné namiesto IBIS dát čítať Loconet zbernicu, ktorá v stanici je už prítomná. Predpokladom je samozrejme DCC centrála, ktorá hodiny posielať dokáže. Pri IBIS hodinách v stanici musí byť hodinový rozvod ťahaný nielen po stene pre veľké digitály, ale aj popod moduly pre jednotlivé stanice.