Decoder mit Microcontroller

Signale im Motorola-Format decodieren und Magnetartikel steuern
Bauanleitungen

Teil 1: ein Decoder mit 4 Weichen-Servos und Anzeigen mittels ARDUINO NANO und 2 ATtiny85

Abb.1

Abb.2

Wir übernehmen die Eingangsstufe von unserer bereits bekannten Schaltung "4 Servos OP v1.4" und bauen sie auf einem Steckboard auf. Sodann wird eine Zentrale mit Keyboard angeschlossen. Von Interesse sind nun die Ausgänge des IC1 MC145027, in Abb.2 benannt mit E0, E1, E2, E3. Hier bieten sich nun 3 Möglichkeiten an: 1. Wir entnehmen die erzeugten Pegel einer Tabelle (siehe unter ARDUINO => Decoder => Abb.5). 2. Wir messen mittels Multimeter die Pegel bei jeder Keyboard-Tastenbetätigung 1rt, 2rt, bis 4gn. und notieren uns diese. 3. wir schließen einen Logic Analyzer an die Schaltung an und betätigen die Keyboard-Tasten 1rt, 2rt, bis 4gn nacheinander. Das Ergebnis zeigt dann die folgende Abb.3

Abb.3 Channel 0, angeschlossen an E3 (siehe Abb.1), triggert bei jeder Keyboard-Tastenbetätigung. Die dabei jeweils erzeugten Pegel an E0, E1, E2 werden unter Channel 1, 2, 3 angezeigt. So erkennt man bei einer einzigen Messung die jeweiligen Pegel bei Tastenbetätigungen: Taste 1rt => Pegel LLL, Taste 2rt => Pegel LHL, bis Taste 4gn => Pegel HHH. Diese "Pegelmuster" von L´s und H´s an den Ausgängen E0 bis E3 müssen nun einem nachfolgen Microcontoller (wir werden hier einen ARDUINO NANO verwenden) zugeführt werden und dieser berechnet dann die zu schaltenden Ausgänge je nach anliegenden Pegeln. HINWEIS: Informationen zu Logic Analyzer finden Sie unter Messtechnik => Logic Analyzer

Abb.4    Zahlen in den Kreisen nummerieren die Abfragen 1 bis 8

Um ein Programm für einen Microcontroller zu erstellen, ist erst einmal die erforderliche Programmstruktur zu überlegen. Bestens geeignet dazu ist ein Flussdiagramm, welches in der linken Abb.4 dargestellt ist. Nach Programmstart wird E3 eingelesen (wird eine Keyboardtaste gedrückt, erscheint ein kurzer H-Impuls an E3). Ist nun E3=L, dann wurde keine Taste gedrückt und das Programm springt zum Anfang zurück. Ist E3=H, dann wurde eine Taste gedrückt und das Programm liest E0, E1, E2 ein. Danach führt das Programm Abfragen aus, um zu ermitteln welche Taste gedrückt wurde. E0=L UND E1=L UND E2=L => schalte Ausgang D9 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=L UND E2=L => schalte Ausgang D9 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=H UND E2=L => schalte Ausgang D8 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=H UND E2=L => schalte Ausgang D8 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=L UND E2=H => schalte Ausgang D9 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=L UND E2=H => schalte Ausgang D9 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=H UND E2=L => schalte Ausgang D8 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=H UND E2=H => schalte Ausgang D8 auf L wenn nicht, nächster Schritt Abfrage Ende Zurück zum Schleifenanfang

Ein ARDUINO NANO kommt zum Einsatz

Abb.5  zeigt die Beschaltung der Eingangsstufe zum ARDUINO NANO

Abb.6

Abb.6 zeigt den ersten Teil des Sketch für den ARDUINO NANO, welcher nur einmal beim Start ausgeführt wird. Deklaration: hier werden erforderliche Variablen definiert, sowie zugehörige Anschlüsse am ARDUINO NANO Inizialisierung hier werden die zugehörigen Ausgänge des ARDUINO NANO definiert.

Abb.7

Abb.7 zeigt den zweiten Teil des Sketch für den ARDUINO NANO. Hier startet die Schleife. Es folgt die Abfrage des NANO-Eingang A3: wenn der Wert X3 (das ist der Pegel, welcher am NANO-Eingang A3 anliegt) größer 50 ist (also mit Sicherheit größer 2 Volt; d.h. H ist), dann werden die nachfolgenden Abfragen ausgeführt. Diese nachfolgenden Abfragen weisen nacheinander den Variablen E0, E1, E2 die an den NANO-Eingängen A0, A1, A2 anliegenden Pegel zu, also jeweils HIGH (H) oder LOW (L).

Abb.8

Abb.8 zeigt den dritten Teil des Sketch für den ARDUINO NANO. Mittels 8 UND-Abfragen der jeweiligen Werde (H oder L) von E0, E1, E2 werden die Adressen ADR1, ADR2, ADR3, ADR4 auf HIGH (H) oder LOW (L) gesetzt. in der Programmiersprache bedeutet z.B.: if ( (E0==LOW)&&(E1==HIGH)&&(E2==LOW) ) wenn E0=L    UND E1=H        UND E2=L dann digitalWrite (ADR2,HIGH); schreibe in ADR2 ein H-Pegel Da in der Deklaration mit int ADR2=8; und in der Inizialisierung pinMode(8, OUTPUT); der NANO-Ausgang D8 definiert wurde, erscheint am Ausgang D8 ein H-Pegel (also 5 Volt) Entsprechendes gilt hier für die anderen Abfragen. ENDE der Abfragen. Schleifenende und Rücksprung zum Schleifenanfang.

Schießt man einen Logic Analyzer an den so programmierten ARDUION NANO an (Channel-Anschlüsse wie in Abb.5) und betätigt nacheinander die Keyboard-Tasten 1rt, 2rt, 3rt, 4rt, 1gn, 2gn, 3gn, 4gn, so erhält man folgendes Messergebnis: Abb.9 Wir erkennen im Messergebnis folgendes: E3: liefert bei jedem Tastendruck (Keyboard-Taste) ein H-Impuls E0, E1, E2: zeigt die vom IC MC145027 decodierten Pegel zur jeweils gedrückten Taste ADR1: ist der Ausgang D9 des NANO und bei Taste 1rt auf H und bei Taste 1gn auf L (unser Ausgang für Adresse 1) ADR2: ist der Ausgang D8 des NANO und bei Taste 2rt auf H und bei Taste 2gn auf L (unser Ausgang für Adresse 2) ADR3: ist der Ausgang D7 des NANO und bei Taste 3rt auf H und bei Taste 3gn auf L (unser Ausgang für Adresse 3) ADR4: ist der Ausgang D6 des NANO und bei Taste 4rt auf H und bei Taste 4gn auf L (unser Ausgang für Adresse 4) Die Schaltung funktioniert also wie erwartet korrekt. Wer über keinen Logic Analyzer verfügt, kann natürlich etwas umständlicher mit einem Multimeter an den Ausgängen D9 bis D6 nach jeder Tastenbetätigung messen messen. Oder man verwendet dazu die nachfolgend beschriebene Anzeige.

Anzeigen und Weichenservos

Abb.10 Die Abbildung 10 zeigt den vollständigen Schaltplan. Die Schaltung setzt sich aus 4 Bereichen zusammen: 3 Bereiche kennen wir bereits aus der Schaltung "Schaltdecoder 4 Servos OP v1.4", siehe unter ARDUINO => Decoder => Teil 1 (Beschreibungen siehe dort), diese sind hier in Abbildung 10 dargestellte Bereiche: Decoder, Anzeigen, und Weichendecoder. Der 4. Bereich ARDUINO Nano wurde oben beschrieben.

In Abbildung 10 wurden Ziffern in farbigen Kreisen für Anschlusspunkte eines Logic Analyzer eingezeichnet. Die untere Abbildung 11 zeigt das Ergebnis, wenn wiederum Keyboardtasten in der Reihenfolge 1rt, 2rt, 3rt, 4rt, 1gn, 2gn, 3gn, 4gn betätigt wurden. Abb.11 Channel 0 bis 7 wurden bereits weiter oben auf der Seite beschrieben. Channel 8 bis11 zeigen die von den zwei ATtiny85 erzeugten PWM-Signale für die vier Servos. Das Programm für die ATtiny85 mit Beschreibungen kenn wir bereits, siehe unter Servosteuerung => Download 2W30ATtiny84 (ganz am Ende auf dieser Seite). Anmerkung: die ATtinies erzeugen, je nach Stellung, permanente PWM-Signale, welche den Servos zugeführt werden. Der verwendete Servo funktioniert aber nun so, dass er sich selber abschaltet, wenn er seine jeweilige Endposition erreicht hat und verbraucht dann natürlich auch keinen Strom mehr. Ich habe aber auch leider bemerkt, dass es unter den Servos Typ "9g SG90" Exemplare gibt, die bei gewünschten Endpositionen nicht korrekt abschalten und dann weiter "zittern". Diese Exemplare sind dann leider nicht verwendbar (möglicher Weise könnte man im PWM-Programm die beiden Servopositionsstellungen so verändern, dass dieser Effekt nicht mehr auftritt. Ich werde dies bei Gelegenheit einmal ausprobieren).

Schaltungstestaufbau

Die Schaltung habe ich zu Testzwecken auf einem Steckbord aufgebaut, damit können Sie ebenfalls die Schaltung ausprobieren. Abb.12   Die Schaltung auf 2 Steckbords Steckplatine A: 5V Stromversorgung, Decoder, ARDUINO NANO, 2 ATtiny85. Steckplatine B: Treiber-IC ULN2803A mit Anzeige-LRDs, Treiber-IC UDN2981A mit 4 angeschlossenen Servos. Anmerkung: dieser Aufbau dient lediglich zu Testzwecken! Möglicherweise genügt die hier gezeigte Stromversorgung nicht den Anforderungen zum Betreiben aller 4 Servos; dann sollte eine stärkere 5V Stromversorgung verwendet werden.

Teil 2: ein Decoder mit 4 Weichen-Servos und Anzeigen mittels 1 ATtiny84 und 2 ATtiny85

Abb.13

Die Abbildung 13 zeigt die Anschlussbelegungen vom IC MC145027 zum ATtiny84, sowie vom ATtiny84 zum IC UDN2981. Weiter ist das 14-polige IC ATtiny84 abgebildet. In den blauen Kreisen sind die Nummern angegeben, die im Programm (Sketch) für die Zuweisungen der ATtiny84-Pins zu verwenden sind.

Abb.14

Die Abbildung 14 zeigt im Grunde dasselbe Flussdiagramm wie in Abbildung 4, nur dass ich hier die Bezeichnungen statt eines ARDUINO UNO die des ATtiny84 angebe. Nach Programmstart wird E3 eingelesen (wird eine Keyboardtaste gedrückt, erscheint ein kurzer H-Impuls an E3). Ist nun E3=L, dann wurde keine Taste gedrückt und das Programm springt zum Anfang zurück. Ist E3=H, dann wurde eine Taste gedrückt und das Programm liest E0, E1, E2 ein. Danach führt das Programm Abfragen aus, um zu ermitteln welche Taste gedrückt wurde. E0=L UND E1=L UND E2=L => schalte Nr. 9 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=L UND E2=L => schalte Nr. 9 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=H UND E2=L => schalte Nr. 8 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=H UND E2=L => schalte Nr. 8 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=L UND E2=H => schalte Nr. 9 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=L UND E2=H => schalte Nr. 9 auf L wenn nicht, nächster Schritt E0=L UND E1=H UND E2=L => schalte Nr. 8 auf H wenn nicht, nächster Schritt E0=H UND E1=H UND E2=H => schalte Nr. 8 auf L wenn nicht, nächster Schritt Abfrage Ende Zurück zum Schleifenanfang

Abb.15

Abb.15 zeigt den ersten Teil des Sketch für den ATtiny84, welcher nur einmal beim Start ausgeführt wird. Deklaration: hier werden erforderliche Variablen definiert, sowie zugehörige Anschlüsse am ATtiny84. Inizialisierung hier werden die zugehörigen Ausgänge des ATtiny84 definiert.

Abb.16

Abb.16 zeigt den zweiten Teil des Sketch für den ATtiny84. Hier startet die Schleife. Es folgt die Abfrage des ATtiny84-Eingang A3 = Pin 10: wenn der Wert X3 (das ist der Pegel, welcher am ATtiny84-Eingang A3 anliegt) größer 50 ist (also mit Sicherheit größer 2 Volt; d.h. H ist), dann werden die nachfolgenden Abfragen ausgeführt. Diese nachfolgenden Abfragen weisen nacheinander den Variablen E0, E1, E2 die an den ATtiny84-Eingängen A0=Pin13, A1=Pin12, A2=Pin11 anliegenden Pegel zu, also jeweils HIGH (H) oder LOW (L).

Abb.17

Abb.17 zeigt den dritten Teil des Sketch für den ATtiny84. Mittels 8 UND-Abfragen der jeweiligen Werde (H oder L) von E0, E1, E2 werden die Adressen ADR1, ADR2, ADR3, ADR4 auf HIGH (H) oder LOW (L) gesetzt. in der Programmiersprache bedeutet z.B.: if ( (E0==LOW)&&(E1==HIGH)&&(E2==LOW) ) wenn E0=L    UND E1=H        UND E2=L dann digitalWrite (ADR2,HIGH); schreibe in ADR2 ein H-Pegel Da in der Deklaration mit int ADR2=8; und in der Inizialisierung pinMode(8, OUTPUT); der ATtiny84-Ausgang D8 definiert wurde, erscheint am Ausgang D8 ein H-Pegel (also 5 Volt) Entsprechendes gilt hier für die anderen Abfragen. ENDE der Abfragen. Schleifenende und Rücksprung zum Schleifenanfang.

Der komplette Schaltplan mit Anzeigen und Weichenservos

Abb.18 Wie in Abbildung 10, nur dass statt einem ARDUINO NANO ein ATtiny 84 zum Einsatz kommt. Die Schaltung setzt sich aus 4 Bereichen zusammen: 3 Bereiche kennen wir bereits aus der Schaltung "Schaltdecoder 4 Servos OP v1.4", siehe unter ARDUINO => Decoder => Teil 1 (Beschreibungen siehe dort), diese sind hier in Abbildung 18 dargestellte Bereiche: Decoder, Anzeigen, und Weichendecoder. Der 4. Bereich ATtiny84 wurde oben beschrieben. Auch in Abbildung 18 wurden Ziffern in farbigen Kreisen für Anschlusspunkte eines Logic Analyzer eingezeichnet. Auch hier trifft die obige  Abbildung 11 zu, welche das Ergebnis zeigt, wenn wiederum Keyboardtasten in der Reihenfolge 1rt, 2rt, 3rt, 4rt, 1gn, 2gn, 3gn, 4gn betätigt wurden.

Der komplette Schaltungsaufbau auf 2 Steckboards

Abb.19 Steckplatine A: 5V Stromversorgung, Decoder, AATtiny84, 2 ATtiny85. Steckplatine B: Treiber-IC ULN2803A mit Anzeige-LRDs, Treiber-IC UDN2981A mit 4 angeschlossenen Servos. Anmerkung: dieser Aufbau dient lediglich zu Testzwecken! Möglicherweise genügt die hier gezeigte Stromversorgung nicht den Anforderungen zum Betreiben aller 4 Servos; dann sollte eine stärkere 5V Stromversorgung verwendet werden. Zum Hochladen des Programms in den ATtiny84 muss natürlich zuvor ein Bootloader auf den ATtiny84 gebrannt werden. Die Schaltung dafür werde ich demnächst einstellen (sie ist etwas anders, als die für einen ATtiny85!). Lohnt es sich einen ATtiny84 einzusetzen? Gegenüber der Schaltung "HJB Schaltdecoder 4 Servos OP v1.4" (siehe "ARDUINO  => Decoder" unter "Teil 1") werden folgende Bauteile eingespart: 1x 47HC138, 2x LTV847, 1x 4044, 15x 510 Ohm. Bauteilkosten 2,87 € (Reichelt Preis März 2024). Für die hier beschriebene Schaltungslösung mit einem ATtiny84 kommt der Preis von 1,90 € hinzu (Reichelt Preis März 2024). Die Schaltung ist also um 1,90 € -2,87 € = -0,97 € preiswerter! Der Einsatz eines ATtiny84 lohnt sich weniger wegen 97 Cent Ersparnis; er lohnt sich aber aus zwei Gründen: 1. weniger Löcher zu bohren, weniger Lötarbeiten, weniger Bauteile sind auf einer Platine zu verbauen. 2. eventuelle Änderungen können per Software gelöst werden (z.B. wenn die Schaltung für andere Schalt- und Servoanwendungen genutzt werden soll). Nachteil: die Schaltung verfügt über keine Datenerhaltung bei Abschaltung der Betriebsspannung, wie das der Fall bei der Schaltung "HJB Schaltdecoder 4 Servos OP v1.4" ist! Bei Wiedereinschaltung müssen entweder alle Keyboardtasten zur korrekten Stellung wieder betätigt werden, oder die Zentrale (oder eventuell eine angeschlossene PC-Steuerung) liefert bei Spannungseinschaltung automatisch entsprechende Keyboard-Tastensignale. Eine andere Lösung wäre, der Attiny84 speichert die Schaltzustände und liest diese bei erneutem Einschalten wieder ein. Das wäre beispielsweise durch Beschreiben und Auslesen des im ATtiny84 enthaltenen EPROM möglich, womit ich mich aber noch nicht beschäftigt habe (auch würde diesbezüglich ein eigenes Kapitel "EPROM" erforderlich sein).

Die Platine

Abb.20 Vergleiche die Abbildung 20 mit Abbildung 12 unter ARDUINO => Decoder , die Ersparnis an Bauteilen ist deutlich!

Download Decoder mit 4 Weichen-Servos und Anzeigen mittels 1 ATtiny84 und 2 ATtiny85 im Download enthalten: - Flussdiagramm - Schaltplan - Platinenlayout und Bestückungsaufdruck - Anschlussbelegungen - Kommentiertes Listing (Sketch) für ATtiny84 Download für erforderlichen Sketch für die ATtiny´s 85 2W30ATtiny85 Beschreibungen hierzu siehe  unter ARDUINO=>Servosteuerung

Für einen ATtiny84 ist ein anderer Bootloader als für einen ATtiny85 erforderlich; ebenso für das Hochladen von Programmen! ATtiny84-Bootloader ist  unter ARDUINO => ARDUINO ATtiny-Brenner eingestellt.

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