Programmateur d'itinéraire ferroviaire

Une fois n'est pas coutume, nous allons nous intéresser d'un peu plus près à nos amis les cheminots en herbe, en commençant une série d'articles consacrés à l'automatisation des réseaux ferroviaires miniatures. Le premier volet traitera d'un automate capable de gérer automatiquement, sans risque d'erreurs, les différents itinéraires possibles d'un réseau pouvant comporter jusqu'à 64 aiguillages !

Fonctionnement

Il se résume à sa plus simple expression: on choisit, à l'aide de deux boutons poussoirs, un numéro d'itinéraire préétabli (de 0 à 99) qui se matérialise sur deux afficheurs électroluminescents. Après cela, il suffit de presser le bouton "départ" pour que tous les aiguillages concernés se positionnent par groupe de quatre, les uns après les autres. Il faut déjà noter que la commande des aiguillages se fait de façon capacitive et séquentielle , économisant ainsi beaucoup d'énergie au niveau de l'alimentation de ceux-ci ! De plus, il existe une isolation galvanique totale entre la partie logique de commande et la partie commutation, ceci est le gage d'une bonne immunité aux parasites. Les données enregistrées sont stockées sur une EPROM bon marché qui peut être programmée de façon simple pas à pas. Ceci permet de sauvegarder des données indéfiniment en cas de coupure d'alimentation. L'ensemble est réalisé de façon modulaire et évolutive . Il comprend:

* une carte mère avec alimentation,

* une carte de commande supportant les touches de fond et l'affichage,

* une ou plusieurs cartes aiguilles chargées de l'interface entre la carte mère et les moteurs d'aiguillage.

On peut programmer 99 itinéraires différents et on peut relier jusqu'à 16 cartes d'aiguilles à la carte mère, soit 64 aiguillages au total. Ce nombre dépasse de loin la complexité de la plupart des réseaux ferroviaires miniatures courants.

Synoptique

Examinons le synoptique et commençons par la carte de commande , dont l'élément principal est un compteur-décompteur 8 bits chargé d'adresser 8 des 13 bits de la mémoire EPROM. Deux poussoirs munis d'un dispositif anti-rebond et d'un oscillateur d'avance rapide, commandent l'incrémentation ou la désincrémentation de ce compteur. Deux décodeurs permettent de visualiser sur deux afficheurs le code binaire fourni à l'EPROM. Un troisième bouton poussoir assure le démarrage de la séquence de positionnement. Un quatrième bouton poussoir permet la remise à zéro complète du système. Un dernier interrupteur maintenu permet de tester visuellement les itinéraires sans que les aiguilles ne se positionnent.

La carte mère est simple et ne comporte pratiquement que l'EPROM contenant les données programmées. Un compteur binaire se charge de commander quatre des cinq adresses restées vacantes de l'EPROM: il permet de balayer pour un itinéraire donné toutes les cases dédiées aux différentes cartes d'aiguille. Lorsque l'on lance la séquence, la première carte d'aiguille est adressée par quatre bits des huit disponibles à la sortie de la mémoire, l'état des quatre aiguillages concernés est dicté par les bits restants.

Lorsque cette première carte est positionnée, elle incrémente d'une unité le compteur binaire qui adresse un nouvel octet de la mémoire. Celui-ci commande la seconde carte d'aiguille et fournit le code binaire de positionnement des quatre aiguillages de cette carte. Ainsi de suite, jusqu'à la dernière carte de commutation qui provoquera automatiquement la fin du processus laissant l'automate en attente d'une nouvelle sélection.

Le mode de fonctionnement permet donc d'adresser jusqu'à 16 cartes d'aiguilles et ce, de façon séquentielle. L'intérêt de ceci est évident: il évite ainsi que tous les moteurs ne commutent en même temps provoquant ainsi un appel de courant intense, ce qui nécessiterait l'utilisation d'une alimentation sur-dimensionnée et de section de fil de câblage disproportionnée.

Les cartes d'aiguilles , quant à elles, présentent un verrou de quatre bits chargé de mémoriser les données fournies par le bus de la carte mère. Ce verrou ne peut être activé que lorsque l'adresse de la carte est compatible avec le code fourni par la mémoire de la carte mère. A ce moment, un monostable fournit une impulsion d'environ une seconde, chargée de provoquer la décharge capacitive de quatre condensateurs dans les bobines de leur aiguillage respectif. L'intérêt de ce mode de commande est triple:

* il permet de travailler avec une tension d'alimentation continue supérieure à ce que pourrait supporter la bobine de l'aiguillage, sans griller ! Le pic de décharge étant bref et décroissant,

* il ne présente aucun danger pour celle-ci. il permet de fournir une énergie instantanée importante pour initialiser le mouvement mécanique de l'aiguille.

* il permet d'économiser énormément sur la taille de l'alimentation accessoire. Un réseau comportant 64 bifurcations demande la même alimentation que celui en comportant quatre.

Description du schéma

Carte de commande

Elle est articulée autour de deux compteurs-décompteurs cascadés en série, référencés IC3 pour les quatre bits de poids fort, IC4 pour les quatre bits de poids faible sur le schéma de principe de la carte de commande. Le contenu de chaque compteur est visualisé par des afficheurs 7 segments à cathode commune à l'aide des maintenant très classiques décodeurs IC1 et IC2 reliés à ceux-ci par des résistances de limitation (R1 à R14). Il faut noter que la broche "blank input" n°4 des décodeurs est commandée par un oscillateur articulé autour d'une porte d'IC7 (1, 2, 3) et de R24, C4. La broche de commande de cet oscillateur est reliée au point A de la carte mère. Au repos, la sortie de l'oscillateur est haute et l'affichage s'effectue normalement. Quand la broche 2 (IC7) se retrouve à l'état haut, l'oscillateur se met en fonction et fait clignoter l'afficheur. Nous verrons l'utilité de cette fonction dans la suite de l'exposé.

Les touches S1 et S2 produisent l'incrémentation ou la désincrémentation des compteurs. Pour cela, il est nécessaire de mettre en forme les signaux issus des contacts des touches. Ceci est effectué à l'aide de deux bascules RS réalisées autour de IC5 avec R15/R16 et (8, 9, 10) et (11, 12, 13) IC5 pour S1 et R17, R18 et (1, 2, 3) (4, 5, 6) IC5 pour S2. Une porte "ou" câblée D1, D2, R19 permet à la porte IC6 d'inverser le signal. On obtient donc un état haut à chaque appui sur S1 ou S2. Si l'appui est inférieur à une seconde, le condensateur C1 n'a pas le temps de se charger à travers R20 et la broche 9 (IC6) reste à l'état bas. L'oscillateur basse fréquence articulé autour de 8, 9, 10 (IC6) et R22, C2 ne démarre pas, la broche 10 reste à 0 et on obtient un seul état bas en sortie 3 d'IC6. Si l'appui sur une des touches est supérieur à une seconde, l'oscillateur précédemment décrit se met en fonction et on obtient des créneaux en sortie 3 d'IC6 tant que la touche est enfoncée. Ceci permet une avance rapide des compteurs. Lors des relâchements des touches, le condensateur C1 se décharge rapidement à travers D3, R21. Il faut noter que la broche U/D (10) de IC3 et IC4 est reliée à une sortie de la bascule anti-rebond de S2 permettant ainsi de passer en mode décomptage lors de l'appui sur celle-ci.

La porte 4, 5, 6 (IC6) avec R23 et C3 réalise un réseau retardateur et inverse une dernière fois le signal. Ce retard est nécessaire pour que l'état de la broche 10 (IC3 et IC4) soit bien établi avant que le signal d'horloge ne se présente. Passons rapidement sur la touche de RAZ S4 qui fournit un état haut lors de son appui à travers 4, 5, 6 (IC7), le réseau R25, C5 produit automatiquement une brève impulsion haute de remise à zéro générale quand l'alimentation se présente à nouveau. La touche S3 de départ de la séquence charge à travers R27 le condensateur C6 et réalise ainsi un réseau anti-rebond simplifié avec 8, 9, 10 (IC7). Le réseau différentiateur qui suit permet d'obtenir avec R29, C7 (11, 12, 13) IC7 une brève impulsion haute en sortie II servant de signal d'horloge aux cartes d'aiguilles. La touche S5 permet de couper l'alimentation des optocoupleurs (voir carte commutation aiguille) et ainsi de visualiser une séquence de positionnement sans que les moteurs ne soient alimentés. La diode D5 visualise ce mode de fonctionnement.

Carte mère

Comme on le voit sur son schéma de principe, cette carte supporte principalement l'alimentation réalisée autour du pont de graetz PT1 suivi par un filtrage C2, C3 et le régulateur IC3 muni d'un dissipateur. Elle est chargée de fournir la tension de 5V aux circuits logiques et à la mémoire. Le dimensionnement du transformateur se fera au vu du nombre de cartes d'aiguillages utilisées mais ne devra en aucun cas être inférieur à 5VA.

Remarquons

que l'alimentation des aiguillages se fait en continu, et seul le pont PT2 chargé du redressement se situe sur la carte.

L'autre composant essentiel de cette carte est le même, de type EPROM CMOS IC1. Cette mémoire de 64 K est adressée pour ses huit premiers bits par le compteur de la carte de commande (A0 à A7). Les quatre bits suivants (A8 à A11) sont adressés par un compteur binaire IC2 qui avancera d'un pas à chaque carte d'aiguille validée. Les huit sorties de la mémoire sont forcées à l'état bas par R1 à R8 et sont reliées au bus sur lequel viendront se relier les différentes cartes de commande d'aiguillage. L'agencement des sorties se fait comme suit:

D4 à D7 fournissent les données dévolues aux quatre aiguillages, état bas: aiguille à gauche, état haut: aiguille à droite (ou inversement si vous le désirez), D0 à D3 fournissent le code d'adressage de la carte (0, 0, 0, 0) pour la première carte, (0, 0, 0, 1) pour la seconde, (0, 0, 1, 0) pour la troisième, etc. On peut donc adresser 16 cartes maxi, soit 64 aiguilles ! Le compteur IC2 est incrémenté à l'aide de l'entrée Ck n°15 par l'intermédiaire du bus relié aux cartes d'aiguille, nous y reviendrons plus tard. Notez le réseau retardateur R11, R12, C5 chargé de la réinjection du signal d'horloge pour une commande successive de cartes avec un léger décalage. La remise à zéro est assurée par le bus et par la carte de commande à travers D1.

Les diodes D2 à D5 associées à R11 forment une porte OU câblée dont le rôle est le suivant: dès que le compteur IC2 quitte sa position de repos (0, 0, 0, 0), la sortie A passe à l'état haut ce qui a pour effet de bloquer l'avance du compteur-décompteur de la carte de commande et de faire clignoter son affichage. Ceci a pour effet de signaler que la séquence de modification de l'itinéraire est en cours et donc d'interdire toute manipulation erronée pendant ce laps de temps. Il ne faut pas oublier que la commande est séquentielle et peut donc durer plusieurs secondes.

Carte commande d'aiguille

Les données d'état des aiguillages sont reçues par un quadruple verrou (IC1 sur le schéma de principe) chargé de les mémoriser. Cette mémorisation ne s'effectuera que lorsqu'il s'agira de la carte concernée. Le décodage du rang de la carte s'effectue avec un quadruple comparateur de magnitude IC2 dont les quatre entrées A sont reliées au bus de la carte mère et dont les quatre entrées B sont reliées à des résistances de tirage (R1 à R4) et à des ponts de soudure amovibles qu'il faudra établir en fonction du rang que l'on souhaite attribuer à une carte. Quand les codes binaires des entrées A et B sont identiques, la sortie A=B (3) passe à l'état haut uniquement si l'entrée A=B (6) est aussi à l'état haut. L'impulsion de mémorisation Ck se présentant sur le bus de la carte mère ne mémorisera les données du bus que pour la carte concernée.

Pour la partie commutation proprement dite, nous n'étudierons que le détail de la commande de deux bobines, celle-ci est identique pour les autres. Les sorties normales et complémentées du quadruple verrou IC1 attaquent deux transistors T1 et T2 chargés de visualiser à l'aide d'une LED bicolore les deux états possibles de l'aiguille. Cette diode pourra être déportée sur un tableau de visualisation d'itinéraire plus ergonomique. Ces deux transistors provoquent aussi l'éclairement des LED intégrées dans les deux optocoupleurs OPC1 et OPC2 à travers R9 et R10. Les phototransistors de ces optocoupleurs fournissent le courant de base à deux transistors Darlington de puissance T3 et T4 largement dimensionnés pour cette application particulière. Le commun des deux bobines n'est pas relié directement au pôle positif de l'alimentation, mais à un condensateur C1 de forte capacité chargé par R13. Comme nous l'avions indiqué précédemment, c'est la décharge brutale de C1 qui initialise le mouvement en procurant une forte énergie instantanée sans aucun danger pour l'émeulement des bobines.

Il nous reste à détailler le rôle des deux monostables restants, chargés de gérer la chronologie des commutations successives. L'impulsion de mémorisation en sortie 3 de IC2 a pour effet de déclencher le monostable ½ de IC3 dont la constante de temps R15, C2 d'environ une seconde permet une commande convenable des bobines grâce à T5 qui est relié au commun des LED des optocoupleurs. Notons que la liaison émetteur de T5 vers la masse peut être interrompue par S5 de la carte de commande. Le transistor T6 et ses composants associés permet de visualiser cette impulsion de positionnement des aiguilles par D3. Le second monostable disponible est déclenché lors de la retombée de l'impulsion précédente et fournit un très bref état haut à l'aide de la constante de temps R16, C5 à travers D2 du bus de la carte mère. Cette impulsion brève est chargée:

* soit de fournir une impulsion d'incrémentation au compteur IC2 qui fera adresser le secteur mémoire correspondant à la carte suivante, et aussi de générer une nouvelle impulsion d'horloge pour les verrous des cartes d'aiguille,

* soit de provoquer une impulsion de remise à zéro au compteur IC2 dans le cas où il s'agit de la dernière carte d'aiguillage de la séquence.

Un simple pont de soudure permet de choisir l'un ou l'autre.

Réalisation

Il s'agira en premier lieu de déterminer ses propres besoins et, en fonction de cela, réaliser le nombre de cartes d'aiguille nécessaire. Passons en revue les spécificités de chacune des cartes.

Carte de commande

On réalisera le circuit imprimé par méthode photographique et on débutera par la pose des nombreux straps nécessaires afin d'éviter le circuit double face. On poursuivra par la pose des résistances, condensateurs et supports de circuits intégrés.

Les résistances de limitation R1 à R14 sont intégrés dans des boîtiers DIL beaucoup plus faciles à câbler et aussi plus esthétiques. Les touches S1 à S5 sont des touches modulaires MEC (4 non maintenues et 1 maintenue). S5 possède en plus une diode LED intégrée. Libre choix vous est laissé quant aux couleurs des cabochons et enjoliveurs. Les afficheurs pourront être surélevés en cas d'utilisation particulière.

Un mot quant à la future liaison entre les différentes cartes et la carte mère: dans le prototype, elle a été réalisée avec des doubles broches sécables à 90°. C'est une solution fiable, rigide et économique qui ne permet pas hélas un démontage facile. Si on veut déporter la carte de commande, on peut utiliser du câble en nappe. Dernière solution luxueuse: utiliser les broches sur les cartes qui viennent s'enficher sur des connecteurs femelle de la carte mère.

Carte mère

Sa réalisation est beaucoup plus simple, car comporte beaucoup moins de composants. Réalisation du circuit imprimé, straps, supports de circuits intégrés et composants passifs soudés. Le réseau R1 à R8 est un réseau SIL avec commun. IC3 sera monté sur un dissipateur suffisant. Sur le prototype, le modèle indiqué est très efficace, le boîtier du transistor est monté par le dessous sans mica isolant mais avec de la pâte thermoconductrice. PT1 et PT2 sont des ponts pouvant supporter 2A, mais il faut noter que la consommation de l'alimentation des moteurs d'aiguillage est réduite au minimum de par le type de fonctionnement mentionné précédemment.

Une dernière précision s'impose, la carte mère telle qu'elle est décrite, ne comporte que quatre emplacements pour des extensions successives. Il suffira, si on en désire davantage, de réaliser des prolongateurs de bus très simples pour étendre ce nombre jusqu'à 16.

La programmation de l'EPROM pourra s'effectuer avec un programmateur rudimentaire au vu du faible nombre d'octets à mémoriser. Utilisez de préférence une EPROM CMOS pour sa faible consommation. Pour une adresse donnée du compteur de la carte de commande (donc pour un itinéraire), il faudra autant d'octets que de cartes aiguille concernées.

En effet, le compteur IC2 adressera successivement les différentes cartes présentes en fournissant à la fois le code correspondant à l'adresse de la carte et les données concernant l'orientation des aiguilles. Faites un tableau de programmation clair et précis . Une fois l'EPROM programmée, on la disposera avec précaution sur son support sans omettre d'occulter la fenêtre d'effacement du composant.

La carte mère est alors prête, on vérifiera la tension présente en sortie du régulateur. On pourra déjà la tester mais ce sera beaucoup plus simple avec les cartes d'aiguillage.

Carte d'aiguillage

en réalisera autant que nécessaire en fonction de l'importance du réseau à automatiser. Même chronologie de pose des composants que précédemment. Les quatre condensateurs C1 sont des chimiques axiaux de type SNAP IN, de valeur suffisante pour la majorité des cas. Si les bobines nécessitaient plus d'énergie, on pourrait augmenter cette valeur en restant dans des dimensions compatibles avec l'implantation de la carte. Les LED bicolores D1 sont soudées sur la carte du prototype. Elles pourront, pour plus de réalisme, être déportées sur un tableau synoptique du réseau. Notons aussi que les 8 sorties du verrou IC1 sont disponibles sur un connecteur pour de futures commandes logiques d'extension telles que bloc système ou autre signalisation. Les transistors mentionnés sont suffisants pour la majorité des bobines d'aiguillage existantes.

n'oubliera pas de programmer le code binaire d'adressage de chaque carte avec des ponts de soudure côté cuivre (pont en place = 1 logique sur l'entrée en question). De même, on choisira de relier la diode D2 à la ligne Ck du bus pour toutes les cartes, exceptée la dernière carte de la séquence où D2 sera reliée à la ligne Reset. On placera toutes les cartes sur la carte mère et on reliera les transformateurs d'alimentation externe. On pourra monter jusqu'à une tension continue de 25V pour les bobines sans dommage pour celles-ci. On réalisera les premiers essais en affichant un numéro d'itinéraire existant et en enfonçant la touche "départ". Toutes les LED bicolores doivent se modifier carte après carte. Pendant ce temps, l'affichage doit clignoter jusqu'à la fin de la séquence. Si l'impulsion de commande d'une seconde est trop importante ou trop brève, on pourra la modifier en jouant sur les valeurs de C2 ou R15.

Ce programmateur d'itinéraire est un premier pas vers une semi-automatisation d'un réseau ferroviaire miniature. Il pourra servir de base à d'autres améliorations de la gestion du matériel roulant. En attendant, bonne réalisation et ne provoquez pas trop de déraillements.