Bau und Testanleitung für den Tiny44/Zetex DCC Decoder. Birkenwerder im Juli 2011 Toralf Wilhelm

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1 Bau und Testanleitung für den Tiny44/Zetex DCC Decoder Vorbemerkungen Die folgende Anleitung beschreibt den Aufbau und die sichere Inbetriebnahme meines einfachen und preiswerten DCC Lokdecoder mit dem Atmel Tiny44 und einer Zetex H-Brücke. Ich möchte ausdrücklich darauf hinweisen, das es sich hierbei nicht um ein kommerzielles Produkt handelt, sondern um eine Anregung für den interessierten Modellbauer oder Elektroniker. Ich habe die Schaltung und die Software nach besten Gewissen entworfen und entwickelt, kann aber Fehler nicht ausschließen und übernehme auch keinerlei Haftung für Schäden, die durch die Nutzung meines Decoders oder der Software entstehen. Jeder darf den Decoder nachbauen und die Software verwenden oder weiterentwickeln (bitte mit Quellenangabe). Eine kurze Mail Eurer Tests, mit Fehlern, Anregungen, Tipps oder Weiterentwickelungen würde mich sehr freuen. Eine kommerzielle Nutzung der Software erfordert allerdings zwingend mein Einverständnis! Alle im folgenden genanten Namen und Marken sind Eigentum ihrer jeweiligen Unternehmen und werden hiermit von mir anerkannt. Birkenwerder im Juli 2011 Toralf Wilhelm

2 Vorbereitungen Für den Aufbau ist nicht viel nötig. Ein Lötkolben, mit feiner Lötspitze, Lötzinn maximal 1 mm stark, eine feine Pinzette, ein Seitenschneider, etwas Draht, ein paar alte Widerstände und eventuell etwas Entlötlitze. Zum programmieren ist ein AVR ISP Programmer und die passende Software dafür nötig. Ich verwende Atmels AVR-Studio und einen usbprog von Benedikt Sauter. Es gibt hierfür noch viele weitere Möglichkeiten, eine gute Anlaufstelle für Informationen zum AVR ist: Für den Bootloaderbetrieb ist noch ein 1wire Kabel nötig, dieses lässt sich leicht selbst anfertigen: Die passende Software AVRootloader.exe stellt Hagen aus dem Mikrocontrollerboard zur Verfügung (ist im Softwarepaket zum DCC-Decoder enthalten). Zum Testen ist ein Multimeter und ein DCC System nötig. Das aktuelle Softwarepaket findet Ihr immer auf meiner Homepage unter folgenden Link:

3 Bauteilliste: Platine D1-D4 D5 D6 C1,2,4,6 C3 C5 T1 T2-4 R1,2 R3,11 R4,8 R5,7 R6,9,10 R12 IC1 IC2 IC3 momentan bei Christoph zu bekommen: Gleichrichterdioden z.b. PMEG3020 5V Z-Diode z.b. BZV55C5V1 27V Z-Diode z.b. ZMM27 100nF/50V SMD 0805 Kondensator 4,7uF/35V SMD Tantal Kondensator 470nF/50V SMD 0805 Kondensator H-Brücke Zetex ZXMHC6A07T8 Transistor SN7002 (ACHTUNG Änderung keine 2SN7002 nehmen!) 47KOhm SMD 0805 Widerstand 3,3KOhm SMD 0805 Widerstand 1KOhm SMD 0805 Widerstand 100Ohm SMD 0805 Widerstand 10KOhm SMD 0805 Widerstand 3,3KOhm SMD 1206 RESET Widerstand optional 78L05 ATTiny44 ULN200x Schaltung und Platine sind möglichst großzügig ausgelegt, um eine Vielzahl von Bauteilen zu unterstützen. Alle Widerstände und Kondensatoren sind unkritisch. Die Bauteilwerte können durchaus 20% abweichen, je nach dem was Ihr gerade zur Verfügung habt. Für den Tiny44 kann auch der größere Tiny84 verwendet werden. Als AUX Endstufen habe ich den ULN2003 und ULN2004 getestet. Der 78L05 ist das Bauteil, was im Normalbetrieb am meisten Abwärme erzeugt. Er wird aber nicht so warm, das Gehäuseschäden an den Fahrzeugen zu befürchten sind. Alle Bauteile sind zum Beispiel bei erhältlich. Das heißt allerdings nicht, das sie dort am günstigsten sind! Momentan (07/2011) gibt es zum Beispiel bei die 2N7002 (NFET/60V/0,8A/SOT23) im 10er Pack für 0,45 Euro.

4 Los geht s, als erstes bestücken wir auf der Oberseite der Platine die Gleichrichterdioden. Es ist viel Platz für verschiedene Diodentypen vorhanden, ich empfehle 1-2Ampere/30V Schottkydioden. Normale Dioden sind auch möglich, werden aber sehr heiß (ca. 2W Verlustleistung bei 1A Decoderstrom!). Danach wird der Tantalkondensator bestückt. Aufpassen, der Strich am Kondensator ist der Pluspol! Nun kommt noch eine Schutzdiode, diese soll bei zu hoher Gleisspannung den Decoder schützen, in dem sie die Betriebsspannung kurz schließt. Der DCC Booster sollte das erkennen und die Gleisspannung abschalten. Aus diesem Grund, kann man hier notfalls auch eine 0,6W Z-Diode verbauen, diese sind einfacher zu beschaffen. Fertig sieht das dann so aus (die Z-Diode fehlt auf dem Foto noch): Zum testen, wird an die Gleisanschlüsse je ein Kabel angelötet (rot und weiß) und vom GND zum +UB Lötpad ein hochohmiger Widerstand (oder auch Drähte zum messen).

5 Es folgt, die erste Messung. Bei mir ist alles i.o., die Decoderspannung beträgt hier 17,3V.

6 Weiter geht es mit dem 5V Stabi 78L05 und den 100nF Kondensatoren C1 und C6. Noch die 5V überprüfen, 4,96 bei mir alles i.o.. Danach die restlichen SMD Bauteile auf der Oberseite bestücken (C2, R4, R5 und D5). Das sollte dann so aussehen:

7 Kommen wir nun zur Unterseite. Es werden die SMD Widerstände, Kondensatoren und Transistoren bestückt. Zum Schluss, der ULN200x.

8 Hier ein paar Bemerkungen zur Funktion, der Decoder kann 7 Ausgänge steuern, dazu benötigt er aber auch den RESET Pin des AVR als I/O Pin. Den kann man so programmieren, das hat jedoch den Nachteil, das der AVR nicht mehr mit einem seriellen Programmer in der Schaltung programmiert werden kann, weil dazu ist der RESET Pin nötig. Wer also erst einmal mit der Software spielen und experimentieren möchte, der verzichtet auf einen Ausgang und kann so den AVR auch noch in der Schaltung mit einem ISP Programmer programmieren. Dann allerdings muss der RESET Pin über einen 3KOhm Widerstand an +5V gelegt werden, weil der bestückte ULN die RESET Leitung sonst auf GND zieht und der AVR ständig im RESET hängt! Im Normalbetrieb empfehle ich die Verwendung eines Bootloaders zum Softwareupdate, das ist dann über nur 2 Leitungen im eingebauten Zustand möglich. Damit lässt sich die DCC Software auch ohne ISP Programmer austauschen und gleichzeitig steht der RESET Pin als Ausgang zur Verfügung. Hier jetzt die Schaltungsergänzungen für einen RESET Widerstand:

9 Die Experimentierer sollten noch einen 0Ohm 0603 Widerstand in die Zuleitung zur H-Brücke einbauen. Dieser schützt bei Fehlansteuerung die Endstufe (der wechselt sich auch leichter als der Zetex). Das sind alles Ergänzungen, die nur notwendig sind, wenn man an dem Decoder arbeiten will. Die Hardware lässt normaler weise keine Fehlansteuerung der Endstufe zu. Das geht nur mit offenen oder als Eingang geschalteten Ansteuerleitungen. Die spätere ISP Programmierung ist auch für einen normalen Decoder nicht vorgesehen und somit ist kein RESET Pin am AVR nötig. Wer bei der Bestückung unsicher ist, oder einen Fehler sucht, sollte jetzt einen Testaufbau machen und die folgenden Messungen durchführen:

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11 Es werden jetzt der Reihe nach ein paar Messungen durchgeführt, diese überprüfen die richtige Bestückung und Funktion der Bauteile. Die Endstufe und der AVR sind noch nicht bestückt! 1.Test: Richtung und PWM Pin werden mit GND verbunden. An Pin1,3,4,8 der Endstufe wird die Spannung gemessen:

12 Pin1 ca. +5V: Pin3 ca. GND:

13 Pin4 (kann man zwischen den Widerständen messen) ca. 2V: Pin8 ca. Decoder UB:

14 2.Test: Richtung wird mit +5V verbunden, PWM bleibt an GND und dann wieder messen: Pin1 jetzt ca. GND:

15 Pin3 jetzt ca. +5V: Pin4 jetzt ca. Decoder UB:

16 Pin8 jetzt ca. 2V: 3.Test Richtung und PWM an +5V, Pin4 muss dann ca. Decoder UB sein:

17 4.Test hier wieder Richtung und PWM an +5V, Pin8 muss auch ca. Decoder UB sein: 5.Test: Platine drehen und Pin1 vom AVR(UB) messen, muss ca.+5v sein:

18 6.Test: nur bei optionalen RESET Widerstand! Pin4 vom AVR(RESET) messen, muss ca. 4V sein: 7.Test: Decoder UB Spannungsteiler zwischen R1 und R6 (AVR Pin9) ca. 3V:

19 8. Test: DCC Eingangssignal am R2 (AVR Pin6) ca. Decoder UB /2: Wenn diese 8 Tests alle stimmen, sollte der Decoder richtig bestückt sein und wir können jetzt den AVR auflöten. Ich werde hier beschreiben, wie der eingelötete AVR programmiert werden kann. Wer lieber das IC extern programmiert sollte das jetzt tun und ihn dann erst auflöten.

20 Programmierung Die Software für den DCC Decoder basiert auf folgendem Konzept. Im AVR wird zuerst ein Bootloader (AVRootloader.hex) installiert. Das ist ein kleines Programm, welches uns später erlaubt, die eigentliche Software für unseren DCC Decoder einfach und unkompliziert über eine 2 Draht Verbindung (Masse + Signal) auszutauschen. So wird es dann jeder Zeit möglich sein, den Decoder eingebaut in einem Fahrzeug mit einer neuen Software auszustatten und das ohne speziellen AVR - Programmer. Die eigentliche DCC Software besteht aus zwei Teilen, dem Programm und den CV Daten. Das Programm (DCC_Decoder.hex) ist für alle Decoderversionen mit der selben Hardware identisch. Die passende Variablendatei (DCC_Decoder.eep) enthält die CV des Decoders. Diese werden im EEPROM des AVRs abgelegt und sind so im Betrieb veränderbar. Sie ist also bei jedem Decoder unterschiedlich. Es gibt also drei verschiedene Dateien für den Decoder: AVRootloader.hex den Bootloader DCC_Decoder.hex das Decoderprogramm DCC_Decoder.eep die CV Variablen des Decoder In dem AVR muss mindestens der Bootloader mit Hilfe eines AVR Programmers geschrieben werden. Hier möchte ich jetzt erläutern, wie mit Hilfe des AVR Studios von Atmel und einem USBPROG (original AVR mkii kompatibel) von Benedikt Sauter der Bootloader in den AVR geschrieben wird. Ich habe dafür ein ISP Kabel (In System Programmer Kabel) mit folgender Belegung (siehe: )

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22 Es folgen ein paar Ansichten, wie die ISP Leitungen am DCC - Decoder angeschlossen werden:

23 So sieht es dann fertig angeschlossen aus:

24 Vorbereitung fertig, jetzt wird programmiert! Aus dem Softwarepaket im Ordner: /DCC_decoder/Bootloader/tiny44_Version die Datei AVRootloader.aps starten. Diese wird jetzt im AVR Studio geöffnet: Nun eine Verbindung zum AVR Programmer herstellen (Symbol am blauen Pfeil):

25 Im Main Ordner, unter Device den Tiny44 auswählen, dann unter Settings die ISP Frequenz auf 125kHz einstellen und speichern. Nun kann die Signatur das AVRs ausgelesen werden. Diese sollte wie oben zu sehen richtig angezeigt werden. Wenn das so ist, besteht eine korrekte Verbindung zum Tiny44 auf der Decoderplatine. Jetzt wechseln wir zum Reiter Fuses: und tragen für den Tiny44 Decoder folgenden drei Werte ein: EXTENDED: HIGH: LOW: 0xFE 0xDD 0xE2 dann auf Program klicken. Im unteren Fensterbereich überprüfen, das die Werte auch richtig geschrieben wurden! Danach zurück auf die Main Seite und die ISP Frequenz auf 1MHz umstellen. Das ist notwendig, da wir durch das ändern der Fuses den internen Takt des Tiny44 von 1Mhz auf 8Mhz umgeschaltet haben. Zur Kontrolle wieder die Device Signatur auslesen.

26 Nun in den Program Reiter wechseln und bei Flash die AVRooloader.hex (tiny44_version) auswählen. Unter EEPROM kann auch gleich die DCC_Decoder.eep eingetragen werden.

27 Auf Reiter Auto klicken und folgendes ankreuzen, dann auf Start, der Tiny44 erhält jetzt seinen Bootloader. Unten überprüfen, das alles richtig geschrieben wurde!!! Fast fertig! Alle die die RESET Funktion abschalten wollen, damit 7 AUX zur Verfügung stehen und kein extra Widerstand vom RESET Pin nach +5V nötig ist, müssen jetzt noch einmal auf den Reiter Fuses, einen Haken bei RSTDISBL eintragen und 1x auf Program klicken. Es gibt jetzt noch eine Rückfrage, ob Ihr das wirklich wollt, bestätigt diese. Ab jetzt ist dieser AVR nicht mehr mit einem normalen ISP erreichbar! Macht aber nichts, wir haben ja einen Bootloader programmiert. Was fehlt jetzt noch? Unser eigentliches Decoderprogramm natürlich. Bis jetzt versucht der Tiny44 nur ständig dieses am 1-wire Eingang einzulesen und genau das machen wir jetzt. Ihr könnt das AVR Studio jetzt schließen. Nun müssen wir unseren Decoder neu verkabeln. Die ISP Leitungen können entfernt werden, dafür benötigen wir nun eine 1-wire Verbindung. Ich verwende einen USB seriell Adapter und ein selbst angefertigtes 1-wire Kabel (siehe Anfang dieser Anleitung). Das sieht dann folgendermaßen aus:

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29 Wir starten jetzt aus dem Ordner: /AVRooloader/Windows die AVRootloader.exe : wählen den Port und die Baudrate aus. Bei den Programmingfiles wählen wir unser Decodersoftware (DCC_Decoder.hex) und unsere Daten (DCC_Decoder.eep) aus. Danach verbinden wir uns mit unserem Tiny44 Connect to device. Wir sollten dann folgendes Bild erhalten:

30 Nun 1x auf Program klicken, kurz warten und fertig ist der Decoder programmiert! Wer mag, kann das jetzt hier auch noch überprüfen oder sich den EEPROM Inhalt (das ist die DCC_Decoder.eep) ansehen. Ansonsten Disconnect device Der Decoder ist jetzt fertig programmiert, es fehlt ihm nur noch die Motorendstufe. Diese löten wir jetzt noch auf und dann sollte das so aussehen: Endlich! Und nun noch ausprobieren!

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35 Es gibt jetzt noch eine kleines Video der Funktionsprobe: Wer möchte kann es sich ansehen. Wenn ihr Probleme beim Nachbau habt, schreibt mir eine an Zum Schluss noch ein paar Zeichnungen, welche beim Nachbau eine Hilfe sein können.

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37 K1 +UB +UB +UB +UB +5V 100nF D6 OUT GND GND nc 78L05 A D2 + Elko- 4,7µFC1 K15 IN GND GND nc 100n-10uF IC1 C3 ZMM27 D1 Elko+ K K14 +5V C6 A Gleis1 +UB +UB K A A D4 K PMEG3020 D3 K Gleis K2 Gleis +UB +UB +5V +UB C4 IC3 10K R6 AUX_2 Li_R AUX_3 F1 AUX_4 F2 AUX_5 F3 AUX_6 AUX_7 F4 GND ULN2003L 1k R8 3,9k 1k R7 10k BZV55C5V1 D5 100ohm Motor T4 SN k ZXMHC6A07T8 R10 0,1µF T1 R9 Motor C2 Last R3 +UB R4 ATTINY24 AUX_1 Li_V C5 PWM_V R5 47k R2 PWM_R R11 0,47µF Gleis1 F1 F2 F3 F4 Last PWM_V F5 Li_V Li_R GND PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PWM_R VCC PB0 PB1 PB3 PB2 PA7 PA6 F5 100ohm IC2 0,1µF 3,3k 1-wire 47k R1 +UB K13 T2 T3 SN7002 SN7002 Maßstab 77,00% Firma Änderung :17 Ausgabe :37 Datei T44lokdec-guenstig.T3001 Zeichner Titel Projekt Blatt

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