Elektronik: Funktionsweise von Modell-Fernsteuerungen

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jo-loom

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Realname: Johannes

Wohnort: Gastarbeiter im Bajuwarischen Königsreich

Sonntag, 30. Oktober 2011, 11:58

Funktionsweise von Modell-Fernsteuerungen

Ein herzliches Willkommen allen Plastimodellbauern mit Ambitionen zum Einsatz von Fernsteuerungen in den Modellen.

RC-Anlagen (steht für "Radio Control"), auf gut Deutsch Fernsteuerungen, finden auch im Platikmodellbau immer mehr Freunde. Die gegenüber klassischen RC-Modellen sehr hohe Detailtreue der Modelle, die vergleichsweise geringen Bausatzkosten und der niedrigere Platzbedarf geben Plastik-Minimodellen eine hohe Attraktivität. Ein spezielles Highlight sind die Plastik-Mikromodelle unterhalb von 30 cm Länge, welche durch die Verfügbarkeit moderner, leichter, kleiner und günstiger RC-Komponenten immer leichter zu realisieren sind.

Da ich in anderen Threads auf die genaue Funktion von Fernsteuerungs-Zusatzmodulen eingehe, macht es Sinn hier einmal das Grundprinzip einer Fernsteuerung zu erläutern. Ich hoffe damit auch die Fragen aus verschiedenen PN's endlich einmal verständlich beantworten zu können.

Nahezu alle RC-Fernsteuerungen basieren auf dem gleichen Funktionsprinzip einer sogenannten Pulsweitenmodulation (PWM). Klingt schlimm, ist aber einfach zu verstehen:

Kodierung eines Kanals:

Schauen wir uns einen einzelnen Kanal an, der Einfachheit halber mal eine Bewegung eines Kreuzknüppels am Sender.
An dem Kreuzknüppel ist im Inneren des Sendergehäuses ein Potentiometer (regelbarer Widerstand) befestigt. Mit einer kleinen Schaltung entsteht nun ein Impuls, dessen Länge der Stelllung des Kreuzknüppels entspricht:

In der Mittellage beträgt die Impulslänge 1,5 Millisekunden, bei maximaler Auslenkung des Knüppels inklusive des Trimmungsreglers liegt der Impuls bei 1,0 ms - am anderen Ende bei 2,0 ms.
Wieso wählt man statt dem Intervall [1,0..2,0 ms] nicht einfach [0..1,0 ms]? Ganz einfach: In diesem Fall würde an einem Ende des Arbeitsbereiches der Impuls ganz verschwinden. Zudem kämen die dann sehr kurzen Impulse immer näher in den Bereich von unerwünschten Störimpulsen.

Früher wurde diese Impulserzeugung von kleinen analogen Schaltungen, sogenannten monostabilen Kippstufen, erzeugt. Heute übernehmen diesen Job Mikrocontroller.

Übertragung eines Kanals:

Der Impuls des einzelnen beschriebenen Kanals wird nun alle 20 ms übertragen. Damit haben wir eine Übertragungsrate von 50 Hz. Es wird also 50 mal pro Sekunde die gesendete Information aktualisiert. Das ist nicht sonderlich schnell, reicht aber für die Übertragung von Menschenhand geführter Befehle.

Übertragung mehrerer Kanäle:

Jetzt stellt sich die Frage, wie man denn nun mehrere Kanäle über die vorhandene einzelne Übertragungsstrecke sendet?
Hierzu werden die Informationen der einzelnen Kanäle mit einem zeitlichen Versatz von 2,0 ms aneinandergereiht. Das funktioniert so, dass ein Zähler im Sender die einzelnen Positionen der Bedienelemente nacheinander abfragt und für jedes Bedienelement einen einzelnen Impuls mit entsprechender Länge generiert.

Noch einmal zur Erinnerung: In jedem Fenster von 2,0 ms steckt ein Impuls mit einer Länge von [1,0..2,0 ms].
Im nächsten Schritt folgt die Aufgabe diese bis zu 9 einzelnen Informationen zusammenzufügen.

Das Summensignal:

Die zuvor beschriebenen bis zu 9 Einzelimpulse werden schlichtweg addiert. Ergebnis ist das ominöse Summensignal einer Fernsteuerung:

Das Summensignal enthält je nach Sender 2 bis 9 einzelne Impulse, alle sauber hintereinander aufgereiht. Am Ende folgt eine Lücke.
Diese Sequenz wird kontinuierlich alle 20 ms übertragen. Das Summensignal gelangt im Sender zur Hochfrequenzstufe (HF), in der es entsprechend dem gewählten Frequenzband mit 27 MHz, 35 MHz, 40 MHz oder 2,4 GHz moduliert wird.

Spätestens jetzt wird auch klar, wieso konventionell arbeitende Fernsteuerungen auf 9 Kanäle begrenzt sind. Mehr Information hat einfach keinen Platz in dem 20 ms langen Übertragungsfenster.

Die Entschlüsselung:

Wir haben jetzt gesehen, wie der Sender alle Informationen zu der Stellung der Bedienelemente kodiert und überträgt.
Woher weiß denn nun der Empfänger, welcher Impuls zu welchem Kanal gehört?
Auch dies ist ganz simpel:

Der Empfänger demoduliert zunächst das empfangene Hochfrequenzsignal. Damit liegt bereits das digitale Summensignal vor.
Jetzt startet der Empfänger jedes Mal, wenn er eine positive Signalflanke sieht (das Signal steigt von "untern" nach "oben"), einen Timer (eine Stoppuhr). Diese Stoppuhr wird überwacht und beim Eintreffen der nächsten positiven Signalflanke zurückgestellt.
Die Stoppuhr darf eine maximale Zeit (beispielsweise 3,0 ms) nicht überschreiten. Erscheinen auf besagter Stoppuhr dennoch höhere Zeiten (man spricht von "Überlauf"), so haben wir die Signallücke im Summensignal erkannt.
In diesem Augenblick geht der Empfänger hin und beginnt wieder die Zurodnung der folgenden Impulsinformationen mit Kanal 1.
Dem Empfänger ist es also reichlich schnuppe, wie viele Kanäle der Sender hat und wie groß die resultierende Lücke im Summensignal ist.

Nachfolgend teilt der Empfänger das Summensignal in die einzelnen Impulse aller Kanäle auf. Diese Impulse gelangen dann zu den Servos oder Fahrtreglern.

Besonderheiten:

In vielen Anwendungsfällen, in denen man eigene Schaltungen im Modell einsetzt, ist es vorteilhaft direkt das Summensignal am Empfänger "anzuzapfen". Ansonsten muss man statt auf ein Signal gleich auf mehrere Einzelsignale schauen, was meist mehr Aufwand bedeutet. Manche Empfänger verfügen neben den Servo-Anschlüssen sogar über einen Stecker fürs Summensignal.

Ich hoffe mit dieser Beschreibung dem einen oder anderen unter Euch ein wenig der schwarzen Magie des Themas Fernsteuerungen genommen zu haben. Im Grunde genommen ist es wirklich recht einfache Technik.

Gruß,
Johannes