Hinweis: Text und Grafiken mit freundlicher Genehmigung von H.O. Maile, E38438 El Amparo, http://www.maile.es/
Das Selectrix System: Struktur und Daten
Das Selectrix-System ist ein modular aufgebautes, Zustands-orientiertes Digital-System zur Steuerung von Modellbahnanlagen, das sich besonders durch hohe Datengeschwindigkeit und Übertragungssicherheit auszeichnet.
Das Selectrix-System zur Steuerung von Modellbahnanlagen ist, seit seinen Anfängen in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts, ein modular aufgebautes und flexibles Steuerungs-System, mit schneller Reaktion auf Bedienungshandlungen und hoher Übertragungssicherheit. Seine Bus-Struktur erlaubt die Steuerung und Kontrolle praktisch aller Funktionen einer Modellbahnanlage.
Systemstruktur
Das Wichtige am Selectrix System ist nicht der technische Aufbau, sondern die Selectrix Datenstruktur und der modulare Aufbau der System-Funktionen.
Im Gegensatz zu den meisten anderen Digital-Systemen wird im Selectrix System durchgängig die selbe Datenstruktur verwendet, sowohl für die Bereitstellung der digitalen Information für Fahrzeugdecoder, als auch für den Informationsaustausch mit Fahrreglern, Funktionsdecoder usw., und auch für die Rückmeldung von Zuständen.
Sx-Bus
Der Sx-Bus ist der Dreh- und Angelpunkt des Selectrix-Systems. Auf diesem Bus, bestehend aus einer Taktleitung, einer abgehenden und einer eingehenden Datenleitung (plus 2 Leitungen für die Stromversorgung), werden ständig zyklisch alle Informationseinheiten von der Zentral-einheit ausgesendet, Änderungen dieser Informationen durch Ein-/Ausgabe-Geräte zurückgelesen und in der Zentraleinheit für den nächsten Zyklus gespeichert.
Insgesamt 112 Informationseinheiten stehen hierbei zur Verfügung, die jeweils zum Steuern einer Lok, zum Schalten von 8 Weichen, Signalen usw. oder zum Rückmelden von 8 Zuständen verwendet werden können.
Diese Informationseinheiten stehen jedem an den Sx-Bus angeschlossenen Ein-/Ausgabegerät ständig zur Verfügung und können auch, theoretisch, von jedem Gerät verändert werden. Normalerweise arbeitet das einzelne Gerät nur mit einer, durch seine Adresseinstellung bestimmten Informationseinheit. Jedoch können auch Ein-Ausgabegeräte, wie z.B. ein Computerinterface oder Fahrstraßen-modul zu jeder Zeit mit jeder beliebigen Informationseinheit arbeiten.
Ebenso können mehrere Ein-/Ausgabegeräte mit derselben Informationseinheit arbeiten. So kann z.B. eine Weiche sowohl über ein Fahr- und Schaltpult, als auch über z.B. ein Eingabemodul für Taster an einem Gleisbildpult gestellt werden. Selbst Loks können gleichzeitig auf mehreren Fahrreglern angewählt werden. Das Regeln der Lok-Geschwindigkeit sollte natürlich jeweils nur auf einem Regler gemacht werden, jedoch kann ein anderer Regler, oder z.B. ein Computer-Programm über Computer-Interface die jeweilige Fahrstufe anzeigen bzw. verarbeiten.
Px-Bus
Auf dem Px-Bus werden zeitgleich zum Sx-Bus die Daten des Systems auf zwei Datenleitungen, mit integriertem Takt, zur Verfügung gestellt. Die Daten sind hierbei so codiert, sodaß sie direkt von Leistungs-Einheiten zur Erzeugung von Gleissignalen verwendet werden können.
Gleisanschluß
Die Gleisausgänge der Leistungs-Einheiten (Booster) sind gleichzeitig Energieversorgung und Informations-Träger für die Fahrzeuge. Auch hier stehen alle Daten des Systems ständig zur Verfügung.
Weitere Sx-Busse
Zur Vergrösserung der Systemkapazität können über eine oder mehrere Sx-Erweiterungen weitere Sx-Busse zur Verfügung gestellt werden.
Ein zusätzlicher Sx-Bus funktioniert im Prinzip wie der Sx-Bus der Zentraleinheit. Die in der Sx-Erweiterung gespeicherten Daten werden taktsynchron mit dem Sx-Bus der Zentraleinheit ausgesendet und gelesen. Jedoch sind die Daten eigenständig, d.h. es besteht kein Informationsaustausch zwischen dem Sx-Bus der Zentraleinheit und einem zusätzlichen Sx-Bus.
Jeder zusätzliche Sx-Bus kann, ebenso wie der Sx-Bus der Zentraleinheit, zum Schalten von Weichen, Signalen usw. bzw. zum Rückmelden von Zuständen verwendet werden. Theoretisch könnte auch ein Sx-Px Umsetzer und damit auch Leistungseinheiten mit Gleisanschlüssen angeschlossen werden. Ein freizügiges Fahren von hier angeschlossenen Gleisbereichen in die Bereiche der Zentraleinheit wäre allerdings nicht möglich, da die Daten eigenständig und damit unterschiedlich zu den Daten der Zentraleinheit sind, und hierdurch auch die an den Gleisen anliegenden Signale unterschiedlich sind, was beim Überfahren der Trennstellen zu Kurzschlüssen führen würde.
Zentraleinheit
Eine Zentraleinheit besteht zumindest aus einem Taktgenerator, einem Synchrongenerator, dem Schreib- und Lesemechanismus für die Datenpakete, einem Datenspeicher für 112 Informationseinheiten und einem Anschluß für den Sx-Bus.
Sx-Px Signalumsetzer
Die Sx-Px Signalumsetzung erzeugt aus dem Takt und den Daten-Signalen des Sx-Busses die für den Gleisanschluß erforderlichen Datensignale und stellt diese ggf. über den Px-Bus für Booster zur Verfügung. Diese Signalumsetzung kann sowohl in einer Zentraleinheit integriert, als auch in einem an den Sx-Bus angeschlossenen, separaten Gerät sein.
Booster / Gleisanschluß
Die Energieversorgung der Fahrzeuge erfolgt über Leistungs-Ausgänge. Diese stellen sowohl die Fahrenergie, als auch die digitalen Daten für die Fahrzeuge zur Verfügung. Ein Leistungs-Ausgang kann entweder als separates Gerät zum Anschluß an den Px-Bus aufgebaut sein, mit einer Sx-Px Signalumsetzung als ein Gerät zum Anschluß an den Sx-Bus ausgeführt sein, oder zusammen mit dieser Signalumsetzung in einer Zentraleinheit integriert sein.
Alle Leistungsausgänge arbeiten hierbei sowohl takt- als auch Signalpegel-synchron.
Sx-Erweiterung
Eine Sx-Erweiterung arbeitet im Prinzip wie eine eigenständige Zentraleinheit. Sie hat einen eigenen Datenspeicher für 112 Informations-einheiten und einen Anschluß für einen zusätzlichen Sx-Bus. Sie hat allerdings keinen eigenen Takt- bzw. Synchrongenerator. Durch die Übernahme von Takt und der Synchronisier-Information vom Sx-Bus der Zentraleinheit arbeiten alle Sx-Busse takt-synchron.
Eine Sx-Erweiterung kann sowohl in einer Zentraleinheit integriert, als auch als separates Gerät aufgebaut sein.
Ein-/Ausgabegeräte
Die Palette der Ein-/Ausgabegeräte reicht von Fahrregler, evtl. mit der Möglichkeit zum Schalten von Weichen, Signalen usw. oder ganzen Fahrstraßen, über Ausgabegeräte zum Anschluß von Weichen (auch mit Rückmeldung der Weichenstellung), Formsignalen, Entkupplern, Licht-signalen, Anzeigen auf Gleisbild-stellpulten usw., Geräte zum Rückmelden von Zuständen, wie zum Beispiel eine gedrückte Taste an einem Gleisbildpult oder ein geschlossener Gleiskontakt, und zum Rückmelden von Gleisbelegt-/freizuständen, bis hin zu Computer-Interface.
Ein-/Ausgabegeräte sind normalerweise an den Sx-Bus angeschlossen, können aber auch in eine Zentraleinheit integriert sein, wie z.B. Fahrregler oder Computer-Interface. Integrierte Ein-/Ausgabegeräte können bei Zentral-einheiten mit mehr als einem Sx-Bus auf alle Daten dieser Sx-Busse zugreifen.
Ein externes Ein-/Ausgabegerät kann jedoch nur auf die Daten des Sx-Busses zugreifen, an den dieses Gerät angeschlossen ist. Allerdings kann ein solches Gerät mobil eingesetzt werden, d.h. es kann an verschiedenen Stellen der Anlage an den Sx-Bus angesteckt werden.
Fahrzeug-Decoder
Die Palette der Fahrzeug-Decoder reicht von Lok-Decoder zum Regeln der Lok-Geschwindigkeit, dem Ansteuern des Lok-Spitzenlichtes und ggf. einer Zusatzfunktion, über Decoder für Steuerwagen bis hin zu Fahrzeug-Decoder zum Schalten von zusätzlichen Fahrzeugfunktionen.
Die Fahrzeugdecoder erhalten ihre digitale Information zusammen mit der Energieversorgung über Radschleifer von den Gleisen. Der Kontakt zwischen den Rädern und den Schienen ist jedoch sehr häufig störanfällig. Die Codierung des Selectrix Gleissignales ermöglicht allerdings den Fahrzeug-Decodern, verfälschte oder verstümmelte Digital-Signale zu erkennen und zu ignorieren. Die hohe Wiederholrate des Selectrix-Signales erlaubt aber trotzdem einen normalerweise störungs- und ruckfreien Betrieb der Fahrzeuge.
Datenstruktur
Das Selectrix-Datenformat ist, entgegen den bei den meisten anderen Systemen verwendeten Formaten, auf Über-tragungsgeschwindigkeit optimiert. Für diese Optimierung ist es erforderlich, Informationen nicht einzeln zu übertragen und auf Fehler zu prüfen, sondern mehrere Informationseinheiten in einem Grundrahmen zusammen-zufassen und eine gemeinsame Fehlererkennung durchzuführen. Die einzelnen Informationseinheiten enthalten weder eine Information über ihren Zweck, noch eine Adressinformation (Lok-Nummer, Weichen-Nummer usw.). Die Adresse einer Informationseinheit ergibt sich aus der im Grundrahmen enthaltenen Basisadresse und der Position (Kanal-Nummer) innerhalb des jeweiligen Grundrahmens. Insgesamt 16 Grundrahmen bilden den Gesamt-rahmen einer Sx-Buseinheit des Selectrix Systems. Ein oder mehrere synchron betriebene Sx-Buseinheiten bilden das gesamte Selectrix System.
Der Synchron-Kanal
In jedem aus 12 Bits bestehenden Übertragungskanal folgt auf 2 Datenbits immer ein 1-Trennbit. Zur Erkennung eines Datenpaketes (Grundrahmen) beginnt jedoch der Sync-Kanal immer mit drei 0-Bit gefolgt von einem 1-Bit. Diese Bit-Kombination ist eindeutig, da alle weiteren Bits des gesamten Datenpaketes an jeder 3. Stelle ein 1-Bit haben. Die Basisadresse des jeweiligen Grundrahmens (Bits B3 bis B0) wird invertiert übertragen, d.h. die Bitfolge 0100 ergibt invertiert 1011 = Dezimal 11.
Der Datenkanal
Ebenso wie beim Sync-Kanal wird beim Datenkanal nach jeweils 2 Datenbits ein Trennbit eingefügt.
Der Nutzteil eines Datenkanals (Informationseinheit) besteht bei Selectrix grundsätzlich aus 8 Datenbits, die jeweils entweder zur Steuerung von einem mobilen Decoder (Fahrzeug-Decoder) über Ein-/Ausgabegeräte wie Fahrregler, oder zum bidirektionalen Informations-Austausch mit Ein/-Ausgabegeräten (Steuergeräte, Tastern, Anzeigeeinheiten usw.) und stationären Decoder (Funktions-Decoder, Rückmelder usw.) verwendet werden können.
Die Bedeutung der einzelnen Bits eines Informationsblockes sind je nach Verwendung verschieden.
Die effektive Adresse einer einzelnen Informationseinheit ergibt sich aus der Basisadresse des Sync-Kanal und der Kanal-Nummer innerhalb des Datenpaketes:
- Adresse = BAInv + 16 * Kanal
Hierbei ist BAInv die invertierte Basisadresse im Sync-Kanal und Kanal die Nummer des Datenkanals (6 .. 0).
Signale und Spannungen
Das Selectrix System arbeitet im Prinzip mit einer Taktzeit von nominell 50 Microsekunden, d.h. mit 20.000 Impulsen pro Sekunde. Da, im Gegensatz zu den meisten anderen Digital-Systemen, bei Selectrix ein eindeutiger Takt vorhanden ist, erlaubt Selectrix eine sehr große Toleranz hinsichtlich der Impuls-Zeiten. Hinzu kommt, daß durch den gegebenen Takt praktisch alle Decoder, Fahrzeug-Decoder wie Ein-/Ausgabegeräte zeitunkritisch und ohne Quarz-Stabilität aufgebaut werden können.
Die Signalpegel auf dem Sx-Bus, wie auch auf dem Px-Bus sind zwischen 0 und 5 Volt. Auch hier ist eine große Toleranz gegeben, insbesondere wenn die Abtastschwelle zwischen log. 0 und log. 1 auf 2,5 Volt gelegt wird.
Sx-Bus
Die Zentral-Einheit liefert auf der Taktleitung (T0) den Systemtakt. Dieser besteht aus einer Taktpause von nominell 10 µSek und einer Impulszeit von nominell 40 µSek.
Auf der Datenleitung (T1) stellt die Zentral-Einheit die einzelnen Bits der Daten während der Impulszeit zur Verfügung und zwar so, daß die Leitung T1 ihren logischen Zustand vor Ende der Taktpause erreicht hat. Dieser Zustand wird bis zum Ende der Impulszeit beibehalten.
Die zweiten Datenleitung (D) wird von der Zentrale in exakt denselben Zustand wie die Leitung T1 gebracht, allerdings über einen grösseren Widerstand „weicher“ angekoppelt. Hierdurch wird ermöglicht, daß die an den Sx-Bus angeschlossenen Geräte diese Impulse überschreiben, und damit von der Zentral-Einheit gelesen werden können.
Px-Bus
Die Sx-Px Signalumsetzung liefert auf den Leitungen P0 und P1 die Signale, die direkt für die Leistungs-Verstärkung von Boostern verwendet werden können. Während der Impulszeit ist, entsprechend dem jeweiligen logischen Zustand die eine Leitung auf 1 und die andere auf 0 und umgekehrt. In der Taktpause sind beide Leitungen jeweils auf 0. Durch diese 3 Zustände ist auch hier ein eindeutiger Takt gegeben.
Allerdings werden die Signale folgendermassen umcodiert: War das vorangegangene Bit auf dem Sx-Bus 0, werden die Leitungen P0 und P1 in denselben Zustand gebracht, wie vor der Taktpause; war das vorangegangene Bit 1, werden die Leitungen P0 und P1 in den umgekehrten Zustand gebracht. Dadurch ergibt sich auf dem Gleis: gleiche Polarität vor/nach der Taktpause = Bit 0, unterschiedliche Polarität = Bit 1.
Eine dritte Leitung wird bei der Sx-Px Signalumsetzung entsprechend dem Z-Bit des Sync-Kanals auf 0 (ZE Aus = Gleisspannung Aus bzw. ZE Ein = Gleisspannung Ein) gesetzt.
Das Gleissignal
Die Spannung am Gleis wird von den Leistungsausgängen entsprechend den Signalen der Leitungen P0 und P1 ausgegeben:
- P0 Ein und P1 Aus: +18 Volt (nom.) zwischen blauer und roter Anschluß-Klemme.
- P0 Aus und P1 Ein: -18 Volt (nom.) zwischen blauer und roter Klemme.
- P0 Aus und P1 Aus: 0 Volt (nom) zwischen blauer und roter Klemme.
Hierdurch ergibt sich ein eindeutiges Signal für die Fahrzeug-Decoder:
- Eingangsspannung 0 Volt = Taktpause,
- Polaritätswechsel = Bit 1,
- kein Polaritätswechsel = Bit 0.
Gleisspannung ist nicht gleich Gleisspannung
Die 3 Spannungsstufen am Gleis kann ein Booster auf einfache Art und Weise erreichen:
- Leitung P0 Ein: blaue Klemme 18 Volt,
- Leitung P1 Ein: rote Klemme 18 Volt,
- Sonst immer 0 Volt.
Dieser Weg hat aber u.U. eine relativ hohe Störstrahlung, da die jeweilige Gleisseite um die gesamte Versorgungsspannung wechselt.
Die bessere Methode ist jedoch:
- P0 Ein: blau 18 V, P0 Aus: blau 0 V;
- P1 Ein: rot 18 V, P1 Aus: rot 0V;
- P0 Aus und P1 Aus: blau 9 V, rot 9V.
Hierdurch wechseln die beiden Gleisseiten jeweils nur um die halbe Versorgungsspannung und dazu noch gleichzeitig gegensinnig. Dadurch wird eine Störstrahlung von vorn herein fast ganz unterdrückt.
Diese beiden Möglichkeiten der Gleisspannungserzeugung sollten auf einer Anlage, z.B. mit unterschiedlich konstruierten Leistungsausgängen von Zentral-Einheit und/oder Boostern, nicht verwendet werden, da beim Überfahren der Trennstellen zwischen Gleisbereichen, die an verschieden-artig konstruierte Leistungsausgänge angeschlossen sind, in den Taktpausen Kurzschlüsse auftreten können.
Gleichlauf von Boostern
Das Codierschema für das Gleissignal bei Selectrix ist relativ einfach: Polaritätswechsel nach der Taktpause bedeutet Bit 1, gleiche Polarität bedeutet Bit 0. Werden Zentral-Einheit und Booster zur Stromversorgung einer Anlage herangezogen, ist das kein Problem, solange alle Leistungs-Ausgänge von demselben Px-Signal ausgehen. Werden aber Booster mit integrierter Sx-Px Signalumsetzung eingesetzt, kann der Gleichlauf der Polarität nicht immer gewährleistet werden. Dies kann z.B. auftreten, wenn die Sx-Px Umsetzung beim Einschalten einer Anlage nicht exact synchron anfängt.
Um den Gleichlauf von solchen Boostern zu gewährleisten, wird das Z-Bit im Sync-Kanal (Zustand ZE Ein bzw. Aus) herangezogen. Dieses Bit ist beim Gleissignal unerheblich, da bei ZE-Aus kein Gleissignal anliegt. Bei der Sx-Px Signalumsetzung wird das Z-Bit so auf 1 oder 0 gesetzt, daß das darauffolgende Bit immer an P0 aus und an P1 ein ist. Dadurch wird ein Gleichlauf der Booster erzwungen und ein ansonsten auftretender Kurzschluß beim Überfahren von Trennstellen zwischen den verschiedenen Versorgungsbereichen der Anlage vermieden.