Der S88-Bus

Der S88-Bus dient dazu, Informationen über die Zustände von Meldern aller Art auf der Anlage über ein Interface an einen PC zu senden. Beispiele für solche Melder sind Belegtmelder, die anzeigen, dass ein Gleis z. B. in einem Bahnhof von einem Zug besetzt ist, Momentkontakte auf der Strecke, die signalisieren, dass ein Zug einen bestimmten Punkt erreicht hat oder auch Schalter und Taster, die von Hand betätigt werden und dann eine Aktion auslösen. Für eine fehlerfreie (halb)automatische Steuerung einer Modellbahn-Anlage mit mehreren Zügen ist es wichtig, dass diese Melder zuverlässig arbeiten und ihre Signale störungsfrei zum Steuerprogramm übertragen werden.
 
Der S88-Bus ist der verbreitetste Vertreter der Rückmeldesysteme. Eigentlich ist er gar kein echter Bus, denn genau genommen handelt es sich um ein großes Schieberegister. In ihm werden die zuvor eingelesenen Melder-Zustände nacheinander von einem Modul zum nächsten und schließlich zur Zentrale weitergereicht. Dieser Datenstrom wird von der Zentrale durch ein Taktsignal gesteuert. Jedes Rückmeldemodul hat dazu meistens 16, manchmal auch 8 Eingänge für die eigentlichen Melder, einen Dateneingang für das nächste folgende Modul und einen Datenausgang zum vorhergehenden Modul bzw. zur Zentrale. Daneben gibt es noch zwei Steuereingänge, mit denen die Melderdaten in einen Zwischenspeicher übernommen oder dieser Speicher gelöscht werden kann.
 
Das System wurde ursprünglich für Märklin Digital entwickelt. Inzwischen gibt es Interfaces und Rückmelde-Module (den Begriff "Dekoder" finde ich hierfür etwas übertrieben) auch von zahlreichen anderen Anbietern.
 

Stecker

Pin-BelegungSteckerStecker
1: Daten (Rückmeldungen)
2: Masse der Versorgung
3: Schiebetakt
4:Preset (anliegende Zustände übernehmen)
5: Reset (Eingänge zurücksetzen)
6: Versorgung +5V
 

Funktion

Mit dem Signal PS = high beginnt ein Abfragezyklus. Die Eingangszustände werden in das Schieberegister übernommen. Ein kurzer Reset-Puls setzt die Eingänge zurück, damit sie Veränderungen bis zur nächsten Abfrage speichern können. Nun werden die Daten aus den Schieberegistern mit jedem Puls des Taktsignals CLK nacheinander an die Zentrale bzw. das Interface übertragen.
Die Taktfrequenz bestimmt, wie schnell das Rückmeldesystem Ereignisse an den PC weitergeben kann. Sie ist nicht standardisiert und daher bei jedem Hersteller anders. Das ursprüngliche Konzept, das auch heute noch verwendet wird, basiert auf zwei verschiedenen Logikbausteinen, also auf reiner Hardware. Diese Bausteine können sehr schnell reagiren (innerhalb von Nanosekunden) und die Verzögerung zwischen Taktsignal und gültigen Daten, somit auch die maximale Taktfrequenz, wird hauptsächlich von der Kapazität und der Länge der verwendeten Leitungen bestimmt. Die Bausteine geben die Daten mit der steigenden Flanke des Taktsignals aus. Die Zentralen lesen sie oft kurz danach ein, einige aber auch erst mit der fallenden Flanke. das ist wichtig für diejenigen, die Rückmelder nachbauen wollen und dabei, so wie ich, auf Mikrocontroller statt Logik-ICs setzen. Besonders zeitkritisch scheint das ansonsten eher gemütliche HSI88 zu sein. Hier hatte ich Probleme, wenn die Daten erst nach mehr als 10µs zur Verfügung standen. Die Verzögerung sollte also < 10µs sein, wenn man auf alle Fälle vorbereitet sein will.

Störungsfreier Betrieb

Dem S88-System wird häufig nachgesagt, dass es störanfällig sei. Das kann, muss aber nicht sein. Die wichtigsten Störquellen sind die Eingänge der RM-Module, die bei einigen Modellen nur mit einem Minimum an Schutzbeschaltung ausgestattet sind, und die Datenübertragung vom Rückmelder zur Zentrale.
Häufig entstehen Störungen nicht auf den Verbindungsleitungen zwischen den Modulen, sondern auf den Meldeleitungen. Auf vielen Anlagen werden die Module gerne in der Nähe der Zentrale angeordnet, so dass sie sich mit kurzen Kabeln verninden lassen. Dafür sind dann die Leitungen zu den Kontaktstellen oder Schaltgleisen oft sehr lang. Die Eingänge der RM werden häufig mit relativ großen Widerständen nach Plus gezogen, bei einigen wurden zudem Entstörkondensatoren eingespart. Das macht sie empfindlich für Störungen. Die langen Leitungen wirken wie Antennen, die auch Signale von den Gleisen aufnehmen können. Das kann man reduzieren, indem man die Signalleitungen, also die Leitungen zwischen Kontaktstelle und Modul, in einem möglichst großen Abstand (min. 10...20 cm) zu Gleisen und Gleisanschlussleitungen führt. Notwendige Kreuzungen sollten im rechten Winkel erfolgen. Noch besser ist es, die Rückmelde-Module dezentral so anzuordnen, dass die Signalleitungen möglichst kurz sind. Das bietet sich z. B. in Bahnhöfen an, wo es oft viele Rückmelder auf engem Raum gibt. Das erfordert dann allerdings wiederum längere Leitungen zur ZentraleBelegtmelder Eingang.
Für meine Rückmelder habe ich diese Eingangsbeschaltung gewählt, die sich gut bewährt hat:
R1 ist mit 10kΩ deutlich kleiner als die meist verwendeten 100kΩ-Widerstände, ist aber noch groß genug, um die Schaltung im Fehlerfall zu schützen (Mittelleiter hat Kontakt zum Gleis). R2 schützt in diesem fall den Prozessor-Eingang und hält den Ableitsstrom unter 1mA. C1 filtert kurze Störimpulse heraus. Eine softwareseitige Ausschaltverzögerung sorgt dafür, dass kurze Unterbrechungen nicht zu falschen Signalen führen.
Die RM-Module werden typischerweise mit Flachbandkabeln verbunden. Liegen hier Kabel direkt aufeinander oder sind sie sehr lang (2m und mehr), dann kann es zum Übersprechen zwischen den einzelnen Adern kommen. Signale auf einem Draht werden auf einen benachbarten Draht übertragen und verfälschen das Signal. Vor allem Störungen von außen, z. B. durch Gleise und Bahnstrom, können auf die Übertragung einwirken. Hier hilft eine Abschirmung. Ich habe für mich handelsübliche 6-polige Audiokabel mit DIN-Steckern verwendet. Leitungslängen bis zu 5 Metern machen keine Probleme. Mittlerweile sind solche Kabel aber nur noch schwer zu bekommen. Statt dessen werden verstärkt, wie auch vom S88N-Standard empfohlen, Patchkabel eingesetzt, wie man sie auch für Netzwerkleitungen benutzt.

Bei sehr langen Verbindungen und schnellen Zentralen, d. h. solchen mit hoher Taktfrequenz, ist zu beachten, dass die Signale verschliffen werden können. Heir lohnt sich ein Blick in das Datenblatt des verwendeten Kabels (sofern verfügbar). Einige Hersteller geben die Leitungskapazität an, meist in pF/m. Hier gilt: Je niedriger, desto besser.
Einige kommerzielle RM-Module haben einen zusätzlichen Masseanschluss neben den Eingängen. Dieser sollte auf kurzem Weg mit der Gleismasse verbunden werden. Bei meinen Modulen habe ich zusätzlich einen kleinen Widerstand in diese Leitung geschaltet, der verhindert, dass im Falle von schlechten Kontakten der gesamte Lokstrom über die Masse der Rückmelder fließen und Störungen verursachen kann.