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Seit
ca. 1985 finden Digitalsteuerungen von Modellbahnahnlagen eine zunehmende
Verbreitung. Diese sind in der Regel so konzipiert, dass auf die Versorgungsspannung
der Schienen eine digitale Steuerinformation über die Polarität aufmoduliert wird.
Diese Steuerinformation enthält
beispielsweise die individuelle Geschwindigkeit der Lokomotiven und
Stellbefehle für
Weichen. Es gibt am Markt eine große Zahl von Anbietern für entsprechende
Elektronik-Komponenten. Die Art des Bahnstroms, z.B. das Format
der übertragenen
digitalen Information ist in Normen festgelegt, die gewährleistet,
dass Lokomotiv-Elektroniken zu Digitalsteuerungen kompatibel sind,
auch wenn sie von unterschiedlichen Herstellern stammen.
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Die
Komponenten einer Digitalsteuerung bestehen aus: Lokomotiv-Dekodern,
Weichen- und Signaldekodern, Boostern, Digitalzentralen und Fahrreglern.
Booster und Digitalzentralen werden in der Regel über separate
Energieversorgungskomponenten (Transformatoren) mit elektrischer
Energie versorgt. Mehrere Fahrregler können mit den Zentralen elektrisch
oder über
Funkstrecken verbunden werden. Anstelle oder zusätzlich zu den Fahrreglern ist auch
die Verbindung eines PCs mit einer Digitalzentrale möglich. Dieses
wird über
separate Interface-Komponenten
realisiert, welche den Seriell- oder Parallelport des PC mit dem
Eingangsbus der Digitalzentrale verbinden. Für die Bereitstellung von jeweils
fünf Ampere
bei 16 oder 24 Volt Betriebsspannung ist in der Regel ein Transformator,
eine Digitalzentrale oder einen Booster notwendig. Weiterhin ist für den Betrieb
der Anlage für
jede steuernde Person ein Fahrregler erforderlich. Da die Anzahl
der Anbieter relativ groß und
der Markt für
Geräte
beschränkt ist,
sind die Entwicklungs- und Prüfkosten
pro Einzelgerät
erheblich. Dieses schlägt
sich in deren Preisen nieder. Allein für die Ausrüstung des Digitalbetriebs mit
einem drahtlos betriebenen Fahr regler für zwei kleine Zügen zahlt
der Anwender ein Vielfaches der Kosten des rollenden Materials.
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Um
dem Anwender eine preiswertere Ausrüstungsmöglichkeit zu geben, wurden
von Modellbauern verschiedene Selbstbauprojekte veröffentlicht.
Diese reichen von selbstgefertigten Platinen über käufliche Bausätze bis
hin zum Einsatz eines PC direkt als Digitalzentrale. Im letzteren
Beispiel steuert der PC direkt über
einen Pin des parallelen oder seriellen Ausgangs einen Booster an.
Die Funktion des Fahrreglers übernimmt
hier ein durch Maus- oder Spielpad gesteuertes Programm, welches
die Tasten- und Joystickeingaben interpretiert. Es kann auf dem
PC direkt ablaufen, oder auch auf einem mit dem PC über Netzwerk
verbundenen Gerät,
z.B. einem PDA über
Wireless LAN.
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Von
einem kommerziellen Ausrüster
wird ein Interface vertrieben, welches die Wähltöne eines schnurlosen Telefons
in Fahrbefehle für
eine Digitalzentrale umsetzt. Auf diese Weise ersetzt die preiswerte
Massenware „Schnurlos-Telefon" die kostspielige
Speziallösung „Funk-Fahrregler". Die vom Telefon
gelieferten DTMF-Signale werden bei dieser Lösung allerdings zweimal umgewandelt,
bis sie als normgerechtes digitales Modulationssignal zur Verfügung stehen:
in dem beschriebenen Interface auf die Signale des Steuerungs-Bus
für die
Zentrale und in dieser wiederum in die modulierte Schienenspannung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen darüber hinaus
gehenden Einsatz von Standardgeräten
der Informations-, Kommunikations- und Unterhaltungselektronik den Betrieb
einer digitalen Modellbahnanlage zu ermöglichen und so die Aufwendungen
für Spezialelektroniken
zu umgehen. Die gewählten
Lösungen
werden in den unabhängigen
Ansprüchen
1, 7 und 8 beschrieben und in den jeweiligen Unteransprüchen ergänzt, einen
beispielhaften Aufbau zeigt 1. Die hier
beschriebenen Lösungen
beziehen sich auf die DCC-Modellbahn-Norm, sie lassen sich jedoch auch auf
andere Verfahren einfach übertragen.
Wesentlicher Inhalt der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das
Modulationssignal für
die Schienenspannung – obwohl
in digitaler Form vorliegend – über die
gleiche Software- und Hardware wie ein analoges Audiosignal übertragen
wird. Damit vergrößert sich
die Auswahl an nutzbaren Geräten
und vereinfacht sich die Realisierung einer entsprechenden Funktion
auf diesen Geräten.
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Ein
erster Teil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
in dem Ersatz von Transformator und Booster durch eine handelsübliche Musikanlage
bzw. einen Endverstärker.
Diese Audiogeräte
werden in hohen Stückzahlen
gefertigt und sind deshalb für
einen Bruchteil der Kosten einer Kombination aus Transformator und
Booster erhältlich.
Es gibt Geräte, welche
die von Modellbahnboostern geforderten Spezifikationen weit übertreffen.
Ausgangsleistung und Ausgangsspannung werden durch die Sinusleistung
des Verstärkers
bzw. dessen Nennimpedanz bestimmt. Diese müssen daher passend gewählt werden.
Eine schnell ansprechende Abschaltung bei Überlast ist bei guten Geräten zum
Schutz der Lautsprecherspulen ebenfalls realisiert. Der Frequenzgang
von bis zu 30 kHz erlaubt die Verstärkung der 9 kHz Rechtecksignale
mit der normgerecht geforderten Flankensteilheit der Digitalsteuerung.
Es existiert lediglich eine Einschränkung im Frequenzbereich nach
unten, da Audioverstärker
in der Regel zum Schutz der angeschlossenen Lautsprecher und Leistungsendstufen
keine Gleichspannung verstärken, dieses
jedoch von der Modellbahnnorm gefordert wird. In Praxis – wenn kein
gemischter Betrieb von digitalen und analogen Lokomotiven gemäß
DE3025035C2 durchgeführt wird,
entsteht durch die fehlende Gleichstromverstärkung keine Funktionseinschränkung, da
in der Regel das Steuersignal ständig
mittelwertfrei mit Frequenzen über
1 kHz moduliert wird.
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Durch
einige wenige Modifikationen kann ein Audioverstärker erfindungsgemäß die Funktion
eines Modellbahnboosters noch besser erfüllen. Mögliche Modifikationen sind
im Folgenden aufgezählt.
Eine Gleichspannungsverstärkung
kann erreicht wer den, indem das Ansteuersignal erst hinter den ersten
Vorverstärkern
eingespeist wird und/oder Entkopplungskondensatoren an den Verstärkerstufen
wahlweise überbrückt werden.
Des weiteren ist es für
die beschriebene Doppelfunktion vorteilhaft, wenn das Netzteil stärker dimensioniert
wird, als für
den eigentlichen Audiobetrieb erforderlich: durch die Ansteuerung
mit einem Rechtecksignal im Modellbahnbetrieb reduziert sich die
Verlustleistung der Endstufe, so dass die verfügbare Ausgangsleistung für den Modellbahnbetrieb
bei unveränderter
Endstufe durch die Überdimensionierung
des Netzteils erhöht
werden kann. Eine weitere vorteilhafte Modifikationen der Audio-Endstufe ist eine
Einstellhilfe für
die Festlegung der Versorgungsspannung auf die im Modellbahnbetrieb üblichen
Werte von 16 bzw. 22 Volt. Dieses geschieht im einfachsten Fall
dadurch, dass am Lautstärkeregler
die Positionen z.B. für
N, H0 und I markiert und ggf. rastbar sind. Effizienter ist allerdings
eine Umschaltung der Endstufen-Versorgungsspannung, etwa von unterschiedlichen
Transformator-Abgriffen. Eine weitere vorteilhafte Modifikation besteht
in der Ergänzung
bzw. Modifikation der Schutzschaltung am Ausgang auf eine dem Modellbahnbetrieb
noch besser angepasste Auslegung. So kann eine üblicherweise verwendete Thermosicherung
durch ein noch schneller ansprechendes Relais ersetzt werden. Die
Parameter für
diese Schutzschaltung kann an die zuvor beschriebene Auswahlmöglichkeit
der Modellbahnnorm N, H0 und I gekoppelt sein. Zur Rückmeldung
von Sicherheitsabschaltungen des Verstärkers und zur Einstellung der
Lokomotivdecoder im „Service-Mode" ist eine Rückübertragung
eines Messwertes für
den aktuellen Schienenstrom an das steuernde Gerät vorteilhaft. Im einfachsten
Fall kann dafür
ein Shunt-Widerstand im Leistungsausgang gewählt werden, dessen Spannung über einen
Audio-Ausgang des Verstärkers dem
steuernden Gerät
zur Verfügung
gestellt wird. Durch Auswertung dieses Messwertes kann das steuernde
Gerät in
Ergänzung
zu – oder
anstelle einer Kurzschlussicherung im Verstärker eine schnelle Abschaltung
des Steuersignals bei Kurzschluss durch führen. Dass die Ausrüstung des
Audiogerätes mit
einem drahtlosen Audio-Eingang – etwa über den entsprechenden
Bluetooth-Standard – ebenfalls
von Vorteil ist, wird später
deutlich.
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Die
bisher bekannten Verfahren für
die Ansteuerung von digitalen Modellbahnanlagen verwenden digitale
Schnittstellen, d.h. solche, die nur zwei Zustände annehmen können. So
steuern beispielsweise die beschriebenen Programme, welche auf einem
PC eine Digitalzentrale realisieren, entweder eine Statusleitung
der seriellen oder einen Leitung der parallelen Schnittstelle an.
Eine präzise
zeitgenaue Signalansteuerung ist dabei sehr aufwendig, erfordert
z.B. den Einsatz spezieller Treibersoftware. Die Ansteuerung wird
erfindungsgemäß dadurch
vereinfacht, dass statt eines Digitalausgangs eines ansteuernden
Gerätes
ein Ausgang für
Audiosignale verwendet wird. Da derartige Komponenten und die Software
zu ihrer Ansteuerung von hause aus auf eine präzise Signalformung ausgelegt
sind, entfällt der
beschriebene Aufwand. Auch die ggf. zu realisierende Rückmeldung
vom Verstärker
zum steuernden Gerät
kann erfindungsgemäß über eine
vorhandene Audioschnittstelle erfolgen. Die Ansteuerung eines Boosters
bzw. eines beschriebenen Audioverstärkers in Boosterfunktion über Audiosignale
wird erfindungsgemäß auch mit
anderen programmierbaren Geräten
der Kommunikationselektronik wie PDAs oder programmierbaren Mobiltelefonen
möglich, wenn
auf diesen eine entsprechende Software für eine Digitalzentrale implementiert
ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf dem Gerät zusätzlich eine Software
zur Realisierung eines Fahrreglers implementiert wird, da dadurch
die Anzahl der benötigten Komponenten
weiter sinkt. Beispiele für
derartige Software für
Zentralen und Fahrreglern in Hochsprachenform für PCs findet sich auf einschlägigen Webseiten
von Modellbahnervereinigungen. Diese ist mit vom Fachmann nachvollziehbarem
Aufwand dahingehend umzuschreiben und zu vereinfachen, dass erfindungsgemäß Audiokanäle statt
der bisher üblichen
digitalen Ports verwendet werden.
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Als
Audioausgang dieses Gerätes
kann jede marktübliche
Realisierung verwendet werden, so etwa über elektrische Spannungssignale,
eine Lichtleiterverbindung (SPDIF) oder eine digitale Funkstrecke
wie DECT oder Bluetooth.
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Die
Anpassung der veröffentlichten
PC Software auf ein in Hochsprache programmierbares Handy oder PDA
ist dem Fachmann möglich.
Sinnvollerweise erstreckt sich eine derartige Portierung nicht nur
auf die Software für
eine Digitalzentrale, sondern wie beschrieben auch auf die Programmierung
der Funktionen eines Fahrreglers, welcher Steuerbefehle mit Tastatur
und/oder Joystick in Fahr- und Stellbefehle für Lokomotiven, Weichen etc.
umsetzt. Das portable Gerät übernimmt
also hier die Funktion von Digitalzentrale und Fahrregler. Weitere
portable Geräte
können
als reine Fahrregler betrieben werden und ihre Steuerbefehle über eine
Kabel- oder Funkstrecke vorzugsweise als digitale Datenströme an das
als Digitalzentrale fungierende Gerät mit Audioausgang weitergeben.
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Erfindungsgemäß können neue,
intuitiv gut bedienbare Fahrreglerfunktionen auf hochwertigen PDAs
oder Mobiltelefonen dadurch realisiert werden, dass auch die in
diesen Geräten
eingebaute Kamera zur Steuerung von Fahrfunktionen herangezogen wird.
So kann der Bediener z.B. die Kamera auf eine Weiche in einem grafisch
dargestellten Gleisbild, oder auf ein entsprechend grafisch dargestelltes Symbol
einer Lokomotive halten und durch einfachen Tastendruck die Umschaltung
der Steuerung auf die entsprechende Weiche oder Lokomotive durchführen. Sinnvollerweise
wird dadurch die grafische Darstellung durch per Bildverarbeitung
einfach zu interpretierende Symbole – wie etwa Barcodes – erweitert.
Auch eine automatische Steuerung einer Anlage über ein Kamera-Handy kann dadurch
realisiert werden, dass dieses Handy die Belegung ein oder mehrerer
Gleisabschnitte per Kamera und bekannter Verfahren zur Bewegungs-
oder Änderungsdetektions vornimmt
und den Verkehr entsprechend steuert. Die meisten bekannten Verfahren
zur Änderungsdetektion
erfordern, dass sich der Kamerastandpunkt nicht drastisch ändert. Das
Kamerahandy wird deshalb hier vorzugsweise an einer festen Position
fixiert.
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine minimale Realisierung der drahtlosen Ansteuerung einer digitalen
Modellbahnanlage auf die beschriebene Art und Weise mit Standardgeräten der
Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik. Ein Mobilfunkgerät (1)
mit Software zur Realisierung eines Fahrreglers und einer Digitalzentrale überträgt die resultierenden Steuersignale
auf dem Audiokanal über
Bluetooth auf einen handelsüblichen
Umsetzer von Bluetooth- in Audiosignale (3). Dessen Ausgang
ist mit dem Eingang eines als Booster betriebenen Audioverstärkers (4)
verbunden, an dessen Ausgang die Schienenspannung (5) erzeugt
wird.
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Mit
(2) werden weitere Mobilfunkgeräte, PDAs oder mobile PCs mit
Fahrregler-Software als Erweiterung dargestellt. Diese kommunizieren
ebenfalls drahtlos mit der Digitalzentralen-Software im Zentralen-Handy, in diesem
Fall jedoch nicht über eine
Audio-Schnittstelle, sondern über
eine genormte digitale Datenverbindung, welche ebenfalls über Bluetooth
realisiert werden kann.
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Mögliche weitere
Ausgestaltungen sind:
- • eine Zusammenfassung des Bluetooth-Empfängers und
des Audioverstärkers
(4) in einen bluetoothfähigen
Audioverstärker,
- • die
Verwendung einer kabelgebunden Übertragung
der Audiosignale zwischen (1) und (2).
- • die
Verwendung eines stationär
betriebenen Gerätes
als (1), welches über
eine Audioverbindung per Kabel oder Lichtleiter mit dem Verstärker (4) verbunden
ist,
- • Die
Verwendung eines standardmäßigen Modellbahn-Boosters
anstelle des Audioverstärkers (4),
der Modellbahn-Booster wird hier allerdings erfindungsgemäß durch
das Audio-Signal eines programmierbaren Kommunikations-Gerätes (1) angesteuert.
- • Die
Verwendung einer standardmäßigen Modellbahn-Zentrale
und daran angepasster Fahrregler anstelle von (1) und (2),
Das Ausgangssignal der Zentrale wird hier – mit entsprechender Pegelanpassung – erfindungsgemäß in den
Eingang eines Audio-Verstärkers eingespielt.
- • Die
Rückübertragung
eines Messwertes für
den aktuell in die Schiene eingespeisten Strom ebenfalls über eine
Audioverbindung – in
diesem Fall über
einen Rückkanal
von (3) nach (1).