Mini-centrale









MINI CENTRALE SANS FIL
Présentation





François LORRAIN/E. ZANDER 2014

Introduction:
Piloter des trains avec un bon transformateur et un variateur fait partie des grands classiques du modélisme ferroviaire. Cette sensation tactile avec le bouton du variateur est agréable et au combien ludique. Les systèmes de commande actuels favorisent beaucoup les interfaces informatiques de type clavier et souris voire smart phone. Le concept de la mini-centrale est d’allier la commande manuelle et la puissance de l’électronique numérique.

Les fonctionnalités:
La fonctionnalité principale de la mini-centrale est de commander 2 trains en mode analogique ou en mode numérique (digital DCC) avec une commande sans-fil. Cette télécommande a l’avantage de ne nécessiter aucun réglage et elle s’appaire automatiquement avec la mini-centrale. Vous pouvez donc suivre au plus près la circulation de votre train sur le réseau.
Deux sorties indépendantes permettent de commander les locomotives sur deux voies distinctes (par exemple : sortie 1 pour la voie 1 et sortie 2 pour la voie 2).
Par défaut la mini-centrale est en mode analogique. Pour passer en mode numérique (standard DCC) il est nécessaire de charger le programme dédié.

Le cœur numérique :




Le cœur numérique est un petit circuit programmable nommé Arduino Nano dont les spécifications sont les suivantes :
Microcontrôleur
Atmel ATmega168 or ATmega328
Voltage en fonctionnement (Niveau logique)
5 V
Voltage d’entrée (recommandé)
7-12 V
Limites Voltage d’entrée
6-20 V
Entrée/Sortie numériques
14 broches (dont 6 fournissent du PWM)
Entrée analogique
8
Courant continu par E/S
40 mA
Mémoire Flash
16 KB (ATmega168) ou 32 KB (ATmega328) dont 2 KB utilise par le bootloader
SRAM
1 KB (ATmega168) ou 2 KB (ATmega328)
EEPROM
512 bytes (ATmega168) ou 1 KB (ATmega328)
Vitesse d’horloge
16 MHz
Dimensions
18 x 43 mm






La programmation se fait avec un langage évolué et le chargement du programme se fait via une liaison USB.
Le principe du microcontrôleur est de pouvoir gérer des entrées et sorties analogique ou numérique très rapidement et simplement.

Le booster :
Bien souvent les booster du commerce sont volumineux. Heureusement, il y a des exceptions grâce à l’intégration de l’électronique. Nous avons une petite merveille qu’est le module de contrôleur de moteur (merci à la robotique). Non seulement il est petit mais il est capable de délivrer 2A.




Ce module basé sur le L298N (ST) permet de piloter deux sorties avec une tension d'alimentation de 4,8V à 46V et un courant maximum de 2A par sortie. Le L298 est équipé d'un radiateur pour dissiper la chaleur.


La carte possède un connecteur d'alimentation avec une alimentation pour la logique, une autre pour les moteurs et une masse commune.
Les caractéristiques sont les suivantes :
Alimentation de la partie logique
6 à 12 V (régulateur +5V sur la carte)
Alimentation de puissance moteur
4,8V à 46V.
Consommation de la partie logique Iss
36mA.
Courant maximum pour les moteurs
2A.
Dissipation maximale (T = 75°)
25W

Dimensions
47 x 53 x 30 mm
Poids
29 grammes

    Les sorties sont commandées par Modulation par impulsion codée (PWM). Ceci est tout a fait compatible du DCC pour le digital (Impulsions courtes et longues) et aussi pour l’analogique si la fréquence des impulsions est suffisamment faible (pour éviter les résonances des bobinages des moteurs qui peuvent être destructrices à basse vitesse).

La radio :
Plus petit serait difficile à trouver. Il s’agit d’un émetteur/récepteur dans la bande des 2.4 GHz.
Ce tout petit circuit se nomme NRF24L01, il est très intégré, et fonctionne avec très peu de puissance et supporte un débit maximum de 2Mbps.  Il est utilisé dans l’industrie, les domaines scientifiques et le médical. Grâce à sa très faible consommation (moins de 14mA en émission/réception, et de l’ordre du μA en mode repos, gestion de la puissance optimisée, le NRF24L01 est vraiment une solution ultra basse puissance qui permet de fonctionner pendant des mois (voire une année) avec des piles boutons ou des piles AA/AAA. Le protocole de communication matériel permet de fonctionner très rapidement avec des applications gérées par un microcontrôleur.


Les caractéristiques sont les suivantes :
Alimentation
3-3.6V (3.3 recommandé)
Puissance de sortie maximum
+20dBm
Courant (crête) en émission
115mA
Courant (crête) en réception
45mA
Courant en mode repos
4.2uA
Dimensions
34 x 14  x 11 mm  
Poids
2 grammes



L’architecture de la centrale:
Avec tous ces éléments la conception de notre centrale est quasiment faite. Nous avons le microcontrôleur Arduino Nano pour la gestion des sorties pour le mode analogique ou digital et le traitement de la commande reçue de l’interface radio. Lors du fonctionnement, une LED s’allume pour indiquer que la centrale est opérationnelle.
Les deux sorties sont amplifiées et protégées par le booster L298N.
La partie radio est assurée par le NRF24L01.
Pour l’alimentation nous proposons d’utiliser une alimentation de PC portable qui peut délivrer 19/20V 3 ou 4A. L’avantage de ce type d’alimentation est que c’est protégé (côté secteur et basse tension) et puissant. Cependant, nos circuits de commande ne fonctionnent bien qu’en 3.3V. Ceci nous oblige donc à utiliser un petit régulateur de tension.



L’architecture de la radiocommande:
C’est simplissime car c’est le Arduino Pro mini qui réalise la transformation des commandes des potentiomètres en messages à transmettre par le module radio.
Le choix du Arduino Pro mini est lié à l’optimisation du coût et surtout de la place pour que cela tienne dans un petit boîtier de commande du commerce. De plus, le programme est chargé une seule fois dans la commande sans fil et ceci quelque soit le mode d’utilisation de la centrale (analogique ou digitale).


Exemples de réalisations:

La mini-centrale est conçue pour tenir dans des boîtiers standards du commerce. Ci-dessous, deux exemples. Les composants sont strictement identiques. Seuls leur disposition change en fonction de la place disponible.


Ci-dessous, une mini-centrale et une mini-commande (pour commander deux trains).