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dimanche 25 août 2019

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Le Locoduinodrome

La carte Satellite V1

Le matériel

. Par : bobyAndCo, Dominique, Jean-Luc, Thierry

Après la présentation des principes fondateurs de la carte satellite, venons en à la réalisation matérielle.

Nous présentons d’abord les choix techniques qui facilitent l’installation des satellites comme prévu. Puis nous détaillons la réalisation autour d’un Arduino Nano, jusqu’au circuit imprimé professionnel.

Nous avons vus dans Les principes fondateurs les idées qui ont gouverné la conception de la carte Satellite V1. Il reste à décider du « combien » : combien de LEDs pour les signaux, combien de servomoteurs pour les appareils de voie, combien de détections. Ce combien conditionne le choix de l’Arduino. Dans ce domaine le choix n’est pas si vaste, nous avons les petits Arduino, Nano, Pro Mini, Uno, comportant une vingtaine de broches d’E/S ou les très gros comme le Mega comportant une soixantaine de broches d’E/S. Deux critères guidaient notre choix. Le premier est ce que nous appellons la « portée ». Le second est évidemment le coût unitaire de la prise en charge d’un dispositif, c’est à dire les ressources nécessaires sur l’Arduino.

La « portée » de l’électronique

On peut définir la « portée » comme ceci : si on fixe une longueur de fil maximum entre le Satellite et le dispositif, signal, servo, détecteur IR, combien de dispositifs sont « à portée » du Satellite sur le réseau ? Une question sous-jacente est « quelle est la longueur de fil maximum ». Pour des dispositifs pilotés en courant comme les LED, on peut aller assez loin, plusieurs mètres. Pour des dispositifs pilotés en tension, les fils doivent être courts, moins de 50cm. En se fixant ce critère de 50cm de longueur de fil entre le Satellite et le dispositif, il n’y a pas de réponse unique et universelle à la quantification de la « portée ». On sent bien que selon les réseaux, leur échelle, la densité des appareils de voie et des signaux, ça sera différent. En dehors des gares, on ne trouvera pas forcément d’appareil de voie et, en voie unique et circulation dans un seul sens, l’implantation minimum sera formée d’un feu et de deux détections. Sur un grill de sortie de gare on peut avoir beaucoup d’appareils de voie sur une courte distance.

En revanche, on comprend bien que si on pose sur le réseau un disque de 50cm de rayon dont le centre est occupé par le Satellite, on trouvera à « portée » des dispositifs variés.

Le coût unitaire

L’Arduino Nano se trouve pour environ 2€50. A cela il faut ajouter 3€50 pour le contrôleur et le transceiver CAN. Une fois retirées les 4 broches du SPI pour le contrôleur CAN, il reste 14 broches [1] pour les dispositifs et donc un coût unitaire de 43 centimes par dispositif [2]. L’Arduino Mega coûte environ 12€ soit 15€50 avec le CAN. 60 broches sont disponibles pour les dispositifs soit un coût unitaire de 26 centimes.

Toutefois, comme on l’a vue au paragraphe précédent, dans certaines parties du réseau, un Nano serait déjà sous employé avec seulement 5 dispositifs (3 LED pour le feu plus deux détections) avec donc un coût réel du dispositif de 1€20. Avec un Mega, le coût réel serait de 3€10. Pour que le Mega soit rentable par rapport au Nano, il faudrait au moins avoir 23 dispositifs à portée, ce qui même dans une zone dense est peu probable.

Comme vous l’aurez compris, le Nano a été adopté [3].

Affectation des broches

Le Satellite v1 a été fortement influencé par la topologie du Locoduinodrome qui comprend 7 zones (Z0 à Z6) avec détection de présence par consommation de courant, 10 détections ponctuelles (P1 à P10), 10 signaux (les carrés C1 à C6 et les sémaphores S1 à S4) et 2 aiguillages (a0 et a1).

Figure 1 : Implantation physique des signaux sur le Locoduinodrome
Figure 1 : Implantation physique des signaux sur le Locoduinodrome
La numérotation des éléments, par exemple pour S2, n°1 est celle vue par le gestionnaire.

Le compromis que nous avons choisi est d’assurer 3 détections, permettre l’allumage de 9 LED et piloter 1 servo-moteur. Cela permet de gérer la totalité des équipements du réseau avec 8 satellites comme indiqué sur cette figure :

Figure 2 : Allocation des Satellites sur le Locoduinodrome
Figure 2 : Allocation des Satellites sur le Locoduinodrome
Les Satellites sont figurés par des rectangle verts. Ils sont reliés par le bus CAN et sont connectés à des détecteurs de consommation de courant PNG, des balises de détection ponctuelles PNG, des signaux PNG ou PNG et des aiguilles PNG.

On verra plus loin le détail des branchements quand on en arrivera à la mise en place sur le réseau. Il va sans dire que la version 2 de la carte satellite présentera une configuration moins rigide.

La détection

Le Satellite permet la détection d’un train par consommation de courant sur une section de voie. Ce premier détecteur nécessite de l’électronique sur la carte. Il faut en effet mesurer le courant et, lorsqu’il est supérieur à un seuil, signaler la présence. Cela va nécessiter des diodes, un transistor, un opto-coupleur, quelques résistances et condensateurs. Le schéma adopté est présenté figure 3 ci-dessous.

Figure 3 : Détecteur de présence par consommation
Figure 3 : Détecteur de présence par consommation
Sur le connecteur K8 (à gauche), les broches 1 et 2 s’intercale dans le signal DCC de la zone à détecter. La broche 3 sert à prélever du courant sur le DCC pour charger le condensateur C10. Il doit être de même polarité que celui qui attaque la broche 2. Si un train circule dans la zone, le courant polarise T1, DP s’allume et DET0 est tirée à la masse.

Le Satellite permet également deux détections ponctuelles, via des capteurs : ILS, capteur à effet Hall, barrière IR, détecteur par réflexion, … pour détecter l’entrée en zone d’arrêt et le déclenchement du freinage, entre autres. Cette détection ne nécessite pas d’électronique sur la carte car ces détecteurs sont équipés d’un connecteur de 3 broches (GND, +5V, Signal).

3 broches de l’Arduino Nano sont donc employées :

Table 1 : Affectation des entrées aux détecteurs
DétecteurBroche
Détecteur d’occupation DET0 A3
Détecteur Ponctuel DET1 A4
Détecteur Ponctuel DET2 A5

Le servo-moteur

Dans la version actuelle, chaque satellite permet de piloter 1 servo connecté à la broche A2.

Les LED

La notion de signal n’est pas présente au niveau d’un Satellite. La raison est que la configuration d’un Satellite doit rester la plus simple possible. Par conséquent, aucune information de haut niveau n’est présente. Le Satellite ne voit que des LED individuelles, seul le gestionnaire centralisé les assemble pour en faire des signaux.

Toutefois, la carte présente les LED aux signaux sur 3 connecteurs de respectivement 9, 6 et 3 LED. Un signal 3 feux utilisera le connecteur 3 LED et, par exemple, un 7 feux utilisera le connecteur 9 LED. Toutes les LED sont disponibles sur le connecteur 9 LED, 6 d’entre elles sur le 6 et 3 d’entre elles sur le 3. Il est ainsi possible de connecter 3 signaux 3 feux ou moins sur chaque connecteur ou bien un signal 6 feux ou moins sur le connecteur 6 LED et un 3 feux ou moins sur le connecteur 3 LED ou encore un signal 9 feux ou moins sur le connecteur 9 LED.

Les LED sont connectées comme suit sur les broches de l’Arduino :

Table 2 : Affectation des sorties aux LED
LEDBrocheConnecteur 9 LEDConnecteur 6 LEDConnecteur 3 LED
D3 x x x
D4 x x x
D5 x x x
D6 x x
D7 x x
D8 x x
D9 x
A0 x
A1 x

La réalisation de la carte Satellite

Voici les schémas complets d’un satellite :

Schémas de la carte Satellite V1

Sur cette figure, on voit les différentes zones fonctionnelles de la carte :

Figure 4 : Distribution des fonctions sur la carte.
Figure 4 : Distribution des fonctions sur la carte.

Et voici le dessin du circuit imprimé qui occupe une surface de 10cm x 5 cm :

Figure 5 : Implantation de la carte Satellite V1
Figure 5 : Implantation de la carte Satellite V1
À noter que la sérigraphie de la numérotation des LED est inversée par rapport à la table 2.

Nous avons fait fabriquer les circuits imprimés. Comme la plupart des fabricants produisent des cartes de 10cm x 10cm à un prix d’appel, il a été décidé, pour le Locoduinodrome d’Orléans, de réaliser aussi en circuit imprimé, des cibles de signaux de grande taille par rapport à l’échelle H0.

Après découpe, nous avons ce jeu de circuits :

Figure 6 : Les circuits imprimés découpés.
Figure 6 : Les circuits imprimés découpés.
En haut, la carte Satellite V1, en bas les cibles des feux exposés à Orléans.

Nous avons confectionné des plaques avant des cibles en papier plastifié et percé à l’emporte pièce :

Figure 7 : Positionnement des circuits imprimés sur les cibles imprimées
Figure 7 : Positionnement des circuits imprimés sur les cibles imprimées

ainsi que des supports en impression 3D :

Figure 8 : Une cible en impression 3D fixée sur un circuit imprimé de feu.
Figure 8 : Une cible en impression 3D fixée sur un circuit imprimé de feu.

Voilà un jeu complet de signaux prêts pour l’exposition :

Figure 9 : Les cibles sont prêtes
Figure 9 : Les cibles sont prêtes

Liste des composants et équipement des satellites

Liste des composants de la carte Satellite V1

La quasi totalité des composants a été commandée chez TME. Si vous souhaitez en commander de votre coté nous pouvons fournir les références des composants chez TME.

A titre indicatif, le coût total d’un satellite V1, circuit imprimé et composants, sans le Nano, nous est revenu à 13,50€.

Après équipement des circuits, voilà un beau satellite :

Figure 10 : La carte Satellite V1 montée, côté composants
Figure 10 : La carte Satellite V1 montée, côté composants
Figure 11 : La carte Satellite V1 montée, côté cuivre
Figure 11 : La carte Satellite V1 montée, côté cuivre

Vous avez remarqué qu’il y a quelques composants CMS (C2 à C7 et C9 coté cuivre et les diodes D1, D3 à D6 et le régulateur 5V coté composants). Ce n’est pas difficile à souder : il faut couper 1 à 2 mm de soudure fine et la poser contre un coté du composant, tenir le composant en place avec une pince brucelles très fine, puis appliquer la pointe du fer à souder sur la soudure. Le composant est immobilisé et on peut souder l’autre côté de fait de façon conventionnelle.

Installation des satellites sur le Locoduinodrome

Figure 12 : L'installation des Satellites est en cours
Figure 12 : L’installation des Satellites est en cours

On remarque le bus Can qui passe de satellite en satellite via des câbles téléphoniques terminés par des prises RJ11, le bus d’alimentation 9V qui alimente les cartes satellite et le bus DCC qui alimente les rails.

On voit ici un satellite avec une commande d’aiguille réalisée avec un servo standard placé dans un convertisseur de rotation en translation (réalisé en impression 3D), et deux satellites connectés à des signaux carrés.

La suite de cette série décrit le logiciel ainsi que la messagerie CAN permettant la communication avec les Satellites.

[1On laisse également libre les deux broches de la ligne série pour le debug

[2Le reste du coût de l’électronique évolue en fonction du nombre de dispositifs.

[3Un autre point qui mérite d’être abordé est la capacité d’alimentation du micro contrôleur. En effet, le fait que le Mega disposent de 60 sorties utilisables ne signifie pas que 60 LED puissent être alimentées. Plusieurs limites intrinsèques existent. La première est le courant total que le micro contrôleur peut fournir sur ses sorties. Pour celui du Mega il s’établit à 200mA, valeur à laquelle le fabricant ne garantit plus le fonctionnement et qui aboutit généralement à la destruction du micro contrôleur. On voit donc qu’une quinzaine de LED demandant chacune 10mA est un maximum

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