Straßenbahnbetrieb in Bad Pattberg am Rapp

Zu einer Modellbahnstadt gehört auch der Straßenbahnbetrieb. So haben wir auf unserer Anlage eine Straßenbahnstrecke im Bereich des Haupt- und Containerbahnhofes eingerichtet, die sich sehen lassen kann. Vom Depot aus über einen als Parkhaus verkleideten Wendel führt uns der Weg vorbei an der futuristisch anmutenden Haltestelle am Hauptbahnhof, an der Stadtkirche, der immer jünger werdenden Altstadt, dem Polizeigebäude und schließlich mit der Abschlusskehre zum Kurhotel. Von dort aus gibt es den Weg zurück zum Depot, der uns an den genannten Stationen in umgekehrter Reihenfolge vorbeibringt, oder wir nehmen den Weg in Richtung Stadtbahnanbindung über den Hauptbahnhof "Bad Pattberg am Rapp". Nach dem Karlsruher Modell verkehren über eine unterirdische Haltestelle die Triebwagen vom (Original-)Typ GT8-100C in Richtung Gleise des Hauptbahnhofes, um den S-Bahnverkehr auf der zweigleisigen Hauptstrecke zu übernehmen.

Der Betrieb auf dem gesamten Straßenbahnstreckennetz wird durch eine Automatik gesteuert, die im Rahmen einer Studienarbeit an der Fachhochschule Heilbronn (heute Hochschule Heilbronn) im Studiengang Elektronik und Informationstechnik entwickelt wurde.

Die hier veröffentlichten Texte sind interessante Details aus der Dokumentation, welche den Aufbau und die Funktion der Steuerung erläutern. Bei Anregungen und Kritik benutzen Sie bitte unser Kontaktformular.

1 AufgabenstellunG

Auf der Modell-Straßenbahnanlage der IG Modellbahn Mosbach/Neckarelz soll ein vorbildorientierter Betrieb nach dem Karlsruher Modell¹⁾ durch eine Mikroprozessorsteuerung realisiert werden.

Die Besonderheit besteht darin, dass auf der Anlage 3 Linien verkehren sollen, die einen Teil der Strecke gemeinsam nutzen, d.h. die Linien müssen erkannt werden und an den entsprechenden Stellen getrennt, bzw. zusammengeführt werden.

Zusätzlich sind Streckenabschnitte zu überwachen und der Zugverkehr so zu regulieren, dass es nicht zu Kollisionen kommt.

¹⁾Das erfolgreiche Karlsruher Modell beruht auf der Kombination einer herkömmlichen Normalspurstraßenbahn mit sog. Stadtbahntriebwagen, welche sowohl auf dem Straßenbahnnetz, wie auch auf dem Netz der DB AG verkehren können. So entfällt das Umsteigen und die Stadtbahn kann vom Umland direkt ins Zentrum fahren. Bei Wikipedia sind unter dem Artikel "Karlsruher Modell" weitere Informationen zu diesem Thema zu finden.

2 Pflichtenheft

2.1 Externes Pflichtenheft

• Verkehr mit 3 Linien; 2 Straßenbahn, eine Stadtbahn weiß: Linie 1 ; gelb: Stadtbahn (Linie 2 ); ganze Strecke ohne Stadtbahn: Linie 3 ( siehe Gleisplan im Anhang )
• Einteilung in Haltestellen H 1 – H 10; dort soll jeder Triebwagen für einige Sekunden halten bleiben (siehe Gleisplan)
• Kapazität der Strecke: maximal 8 Fahrzeuge inklusive eingefädelter Stadtbahn, Möglichkeit der Erweiterung auf eine größere Anzahl von Fahrzeugen.
• Aus einer sinnvollen Einteilung der Strecke in Blockstrecken ergeben sich zusätzlich zu Haltestellen die Überwachungsabschnitte F1 – F15 mit den Stoppstellen Fh2 – Fh15 (siehe Gleisplan)
• Der Zustand der Blockstrecken und Haltestellen soll mittels Gleisbelegtmelder überwacht werden
• Fahrzeuge fahren im Blockabstand
• Wenn eine Stadtbahn eingefädelt werden muss, erhält diese Priorität. D.h. falls der davor liegende Blockabschnitt frei ist darf vor der Stadtbahn kein anderes Fahrzeug einfahren. Ist der Blockabschnitt belegt muss dieser geräumt werden.
• Für eine entsprechende Ansteuerung der Weichen W1 – W4 für Abzweig und Ausweichstellen ist zu sorgen. Auf eine zusätzliche Ansteuerung von optischen Signalen wird verzichtet, da ein im Straßenbahnbetrieb üblicher Verkehr auf Sicht, oder wie heute aktuell durch elektronische Fahrzeugleitung nachgebildet werden soll.

2.2 Internes Pflichtenheft

• Wegen der einfachen Beschaltung fiel die Entscheidung auf den Philips P89C51RD2 dieser µC ist in der Schaltung programmierbar und besitzt 64kB Flashspeicher
• Realisierung einer schnellen Programmierung des µC – Systems vom PC aus, ohne Lästiges Jumper stecken und Reset drücken
• Nachbildung eines  Parallelports zum Anschluss der Modellbahnsteuerung
• Anschlussmöglichkeit eines LC – Displays zur Anzeige verschiedener Betriebszustände auf der Anlage
• Portbelegungen: siehe Blockschaltbild

• Port 1 wurde freigehalten um eine evtl. Erweiterung mit einer durch PWM einstellbare Fahrspannung zu ermöglichen
• Linienerkennung mittels Reedkontakten und entsprechender Codierung der Fahrzeuge mit Permanentmagneten
• Linie 1 erhält keinen Magneten
• Linie 2 (Stadtbahn) erhält 3 Magnete
• Linie 3 erhält einen Magneten
• Sensor zur Linienerkennung zu Beginn des Abschnittes F13 und F4
• Im nächsten Abschnitt wird die Identifikation übernommen und dem sich auf dem Abschnitt befindenden Fahrzeug zugeordnet
• LCD Anzeige der sich auf dem jeweiligen Abschnitt befindenden Linie
• Haltestellenabschnitte sind immer stromlos, wenn Fahrzeug einfährt wird ein Softwaretimer gestartet, falls der vorherige Abschnitt frei ist erfolgt die Weiterfahrt
• Aus der Streckeneinteilung ergeben sich folgende benötigte I/O – Kanäle 27 Eingänge zur Abschnittsüberwachung 1 Eingang zur Störungserfassung 2 Eingänge zur Linienerkennung( INT 0 und INT 1) 8 Ausgänge zur Weichenlagenansteuerung 20 Ausgänge zur Ansteuerung der Zugbeeinflussung
• Porterweiterung (Modellbahnsteuerung) soll auch in Verbindung mit einem PC verwendbar sein, Parallelportanschluss
• µC stellt die Parallelportsignale zur Verfügung: D0 ... D7, C0 ...C3, Ausgabe; S3 ... S7 Eingabe
• Die Ein- bzw. Ausgänge sind durch Optokoppler von der µC Karte getrennt
• D0 ... D3 laufen auf einen 4 nach 16 Decoder  (Steuerbus)
• D4 ... D7 laufen auf einen weiteren 4 nach 16 Decoder  (Cardselect)
• C0 ist das Signal ENABLE der beiden Decoder
• 2 Schaltkartentypen: Monostabil zur Weichenansteuerung bistabil zur Ansteuerung der Fahrstromabschnitte
• Jede Schaltkarte verfügt über 16 Ausgänge mit Status LED zur Funktionsprüfung auf der Leiterplattenvorderseite
• Einlesekarten mit einem 5 Bit breiten Bus (wegen Parallelportkompatibilität) die Auswertung erfolgt seriell
• Auf einer Einlesekarte sind 2 Latches untergebracht über die, die jew. 5 Eingänge auf den Bus geschaltet werden können
• Da die Eingänge der Einlesekarte mit der Fahrspannung in Berührung kommen müssen die Belegtmeldersignale vor dem Latch mittels Optokoppler  getrennt werden
• Programmablaufplan (siehe Abbildung): Das Flussdiagramm zeigt die Abfolge und die benötigten Unterprogramme

3 Gleisplan (Linienplan)

Hier noch einige Erläuterungen zum Verständnis des Gleisplanes. Die einzelnen roten, grünen und schwarzen Punkte symbolisieren Belegtmelder LED, Schalter und Taster des Gleisbildstellwerkes der Anlage, von dem der Schemaplan übernommen wurde. Sie haben für haben für die µC-Steuerung keine Funktion. Die verschiedenfarbigen Streckenteile entsprechen den einzelnen Fahrspannungsabschnitten.

Die Abschnitte H1 - H11 und F1 - F14 entsprechen denen im Programm verwendeten Variablen zur Auswertung und Ansteuerung der einzelnen Abschnitte (siehe Tabelle xx). Mit H-Abschnitten sind Haltestellen, mit F-Abschnitten Blockabschnitte und mit FH sind die Halteabschnitte im jeweiligen Block bezeichnet.

• Linie1: weiß
• Linie2: (Stadtbahn) gelb, weiß, grün, blau, rot
• Linie3: weiß, grün, blau, rot

4 Mikrocontrollerboard

Extra für den Zweck der Straßenbahnsteuerung wurde für den µC eine doppelseitige Leiterplatte im Europaformat (100mm x 160mm) entworfen, die alle zusätzlichen Komponenten beherbergt. Dabei wurde beim Design auch darauf geachtet, dass die Platine universell als Experimentier- und Entwicklungsboard im Labor eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck sind zusätzlich alle vier I/O Ports auf Pfostensteckerleisten geführt und an Port 0 zusätzlich ein LED-Treiber mit 8 LED angeschlossen. Abbildung 4 zeigt das µC-Board und die einzelnen Anschlüsse.

4.1 Mikrocontrollerbeschreibung

Der verwendete P89C51RD2 HBP von Philips beinhaltet einen nichtflüchtigen Flash-Programmspeicher. Der Chip ist mit den Speichergrößen 16KB, 32KB und 64KB verfügbar, wobei hier im Preis kaum unterschiede bestehen.

Der verwendete Typ mit 64KB Flash verfügt über 512 Byte RAM.

Der Programmspeicher kann sowohl parallel mit einem Programmiergerät, wie auch seriell in der Schaltung programmiert werden. Zur seriellen Programmierung ist auf dem µC ein sog. Boot Loader in einem ROM hinterlegt, der die Kommunikation mit dem PC und die Programmierung des Flash-Speichers steuert.

Wenn nichts anderes im Programm, das auf dem µC laufen soll konfiguriert wurde, läuft der µC im 6 clock Mode, d.h. ein Befehl dauert 6 Taktzyklen! Das ist doppelt so schnell, wie bei einem Standart 8051 Controller. Bei 20MHz läuft der µC also mit der Performance eines 40 MHz Prozessors.

Der Single-Chip 8 Bit Mikrocontroller ist ein 8051 Derivat und ist 100% mit dem 8051 Befehlssatz kompatibel.

Features:

• 80C51 Prozessor
• On-Chip Flash Program Memory, in der Schaltung programmierbar (ISP)
• Boot ROM das alle Routinen zur Flash-Programmierung über den UART beinhaltet
• Parallel programmierbar mit kompatiblem Programmiergerät (z.B. Galep)
• 6 clocks per machine cycle operation (standard)
• 12 clocks per machine cycle operation (optional)
• Taktrate bis 20 MHz mit 6 clock cycles, bis 33 MHz mit 12 clock cycles
• RAM erweiterbar bis 64 kbytes
• 4 stufige Interruptpriorität
• 7 Interrupt Quellen
• Vier 8-bit I/O Ports
• Full-duplex fähiger UART
• Power control Modes
• Programmierbarer Taktausgang
• Zweites DPTR Register
• Programmierbares Counter Array (PCA)

An dieser Stelle sei auch der Firma Philips Semiconductors Deutschland für die freundliche Unterstützung durch einige Testmuster gedankt.

4.2 Programmierung des µC

Um anschließend den auf dem PC  programmierten und in eine HEX-Datei gewandelten Quellcode in den µC-Programmspeicher zu schreiben, stehen zwei Programme zur Verfügung, die mit dem µC über die serielle Schnittstelle kommunizieren. Beide Programme sind frei über das Internet zu beziehen. Das erste Programm ist WinISP von Philips, es ist allerdings nicht sonderlich komfortabel in der Bedienung und es traten auch bei der Programmierung ab und zu Fehler auf. Siehe hierzu auch http://www.nxp.com/products/microcontrollers/

Das zweite und auch verwendete Programm, dessen Verwendung und Bedienung auch näher beschrieben werden soll, nennt sich FlashMagic. Dieses Programm von Embedded Systems Academy wird in regelmäßigen Abständen verbessert und kann unter http://www.esacademy.com/ heruntergeladen werden.