TOP                   鉄道模型の部屋そのB240303〜

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バス走行システム
 毎年、ワカサギが終了し、ヘラ鮒の開始時期までのブランクの今頃の時期に恒例となってしまった鉄道模型ですが、今年も始まってしまいました。今年のきっかけは「バス走行システム」を発見してしまった事です。Nゲージサイズのバスがボタン電池2個で、コースを磁力を頼りに走り回ると言うものですが、その上バス停では減速しながら一定時間停車し、再び発車しコースを周回すると言うものです。その一連の動きはすべて磁力センサーによるもので、コース裏側に設置されたワイヤーを検知して走行するようですので、そのレイアウトは自由のようです、さっそく妄想が広がります。発売されているバスは大阪交通局で使用されているもので、今回の製作コンセプトは都市部、ビルが立ち並ぶ道路をバスが走り、バス停で一時停止、再度発進して周回開始。バス走行システムを即発注!しましたが、USB-IO2.0にかかりっきりでバスの方は手つかず状態です。
USB−IO2.0 LED制御
 ビルのストラクチャー8点(思った以上の出費)を購入し、600*450サイズでのレイアウトを考えていくうちに、ビルのLED照明についてNETで検索していたところ、USB経由でのPCからのプログラム制御ができる事が目に止まり、USB-IO2.0(AKI)を即発注!現物到着、ここからが苦難の道の始まりでした。当初はサンプルプログラムのみでLEDの点灯・消灯を試していたのですが、自分でプログラムを作成したくなり、いきなり横道にそれてしまいました。それからはVB2010(幸いにも無償によるダウンロードが可能)についての情報収集とプログラミングで苦悩の連続となりました。それほど複雑なことをプログラミングしている訳では無いのですが、新しいものを受け入れる能力がめっきり低下しているようで、理解は遅々として進みません、何とか8階建商業ビルのLEDを個別に点灯、消灯・時間差による順次点灯、消灯までこぎつけた時にはすでに約1か月間以上が経過していました。(制御画面は掲載できますが、あまりにも稚拙なプログラムコードでとても公表できるような代物ではありませんので、コード公表は差し控えます・・・・)
USB−IO2.0Nゲージの列車走行制御
 LEDのコントロールができるようになると、次に思いついたのが、Nゲージの列車走行のコントロールでした、ビルの間をぬって走る高架橋による列車の走行も可能では? USBでの当初使用目的が配置するビルのLED点灯・消灯のみでしたので、私の入手したUSBは入門用に開発されたもので、その制御能力には限界があります。しかし制御制作例にAC100Vをコントロールできるものがありましたので、さっそく挑戦、列車走行電源はせいぜい12V、小曲線が多いためそこまでも必要無いようですので、走行用電源としてAC-DC9Vを入手、電車はシルバーの車体でいかにも都市部を走っていそうなBトレインショーティー大阪市交通局 (バスとおそろいになりました)21系御堂筋線(Bトレイン専用動力ユニット3電車・気動車用使用)としました。
列車レール配置
LED制御、走行制御(未だに低速走行制御の不良原因が判明していませんが・・・)の目鼻が付き、やっと本来の鉄道模型に戻ることができました。レイアウトサイズは450×600とし、130Rを多用することになり走行に不安がありましたが、走行線路はすべて高架での計画です。1mm塩ビ板をレール軌道幅プラス5mmに沿ってカットし、両側に同じく1mm塩ビ板を高さ10mmで接着しています。試験走行では車体との接触も無く、スムーズな走行が可能でした。また駅ビル2Fをホームとしましたが、丁度カーブ箇所でしたので建物の加工には結構苦労しました。今では高架線路が怪獣の猛攻撃をうけ、相当な被害を受けていまので、補修とするか新たに製作するか迷っています。
ストラクチャー
ビル等の調達は随分以前にしてありましたが、道草を食い過ぎてかなりの期間放置してありました。イメージは高層ビルの立ち並ぶ都会をイメージしていますが、なにせ田舎者ですので十分なイメージが湧きません。こんな画像が大変参考になりました。実写の画像ですがジオラマ風に処理したものだそうです。ビル群が立ち並ぶ中、高架を通過する電車、行きかう車輛・人々。そんな雑踏の中でも緑は生き生きしています。

配置進行

歩道設置・樹木・街路灯・建物仮配置  
   
   

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01

Back          バスコレクション 走行システム 基本セットA2(大阪市交通局仕様)

バスは非常にリアルでとても気に入りましたが、今のところ入手してからパッケージを空け、ボタン電池を入れてバスのフリー走行試験をしたのみで放置状態。

 

 

 

 

 

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02

Back    Bトレインショーティー大阪市交通局 21系御堂筋線 2両セット

Bトレインショーティー専用 動力ユニット3 電車・気動車用 及び 台車

期待通りのきれいなシルバーの車体です。恒例のLEDの設置も先頭車に仮組しました。 集電接点が車輪8箇所でなされるため、試験走行させてみてもスムーズな走行で、LEDのチラつきも全く無い優れもの。
列車室内灯
起動列車に仮組していた列車内照明を本組しようと、参考情報を収集していたところ。ソフトプラ棒を使った均一な照明方法を見つけましたので、製作しようと思い立ちました。合わせて後続列車の照明もレールからの集電で設置しようと思います。そのためにBトレインショーティー専用 動力ユニット3 電車・気動車用台車を入手しました。使用材料は手持ちの3mm白色LED、速度切り替えによるレールの電流の変化により光度の変化を防止するため及び後進の場合の電極の逆転に備えて定電流ダイオード CRD 15mA(E-153)を使用する予定です。手持ちの3mm円筒型LEDを使用しましたが広角だからか、輝度が足りないのかプラ棒の一部しか発光しないため、別の手持ちの角型LEDを積載することに変更しました。後続列車も集電極板に直接ハンダ付け、定電流ダイオードを経由して角型LEDを乗せました。
車輛の加重
小曲線レールを多用しているため、走行台車にBトレの車両を乗せただけでは、荷重が足りないせいか脱線事故が頻発してしまいますので、LEDの設置に合わせて加重用の板鉛を設置する予定です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

03

Back                  USB-IO2.0(AKI)

USB-IO2.0 仕様

項目
USBバージョン

2.0 通信速度12Mbps

処理速度 300Hz程度※入力結果を参照しない場合1000Hz程度可能
出力ピン 0〜12ピン 設定にて変更
入力ピン 0〜12ピン 設定にて変更
プルアップ ポート2利用可 設定にて変更
出力電圧 5V
1ピン最大出力電流 25mA
全ピン合計最大出力電流 80mA
温度条件 0〜75℃ 結露しないこと
単体消費電流 約15mA
サイズ 51x31mm
VendorID 0x1352 Km2Net
ProductID 0x0120 USB-IO2.0

0x0121 USB-IO2.0(AKI)

システム設定データ初期値 0:
1:ポート2:Bit0 プルアップ 1:無効 [0:有効]
2:
3:
4:ポート1:入力ピン設定 [0b00000000]ビットONが入力ピン5:ポート2:入力ピン設定 [0b00001111]ビットONが入力ピン

超初心者の皆様へ参考(でも、まったく自信がありませんので、本当に参考程度にしてください)

LED制御
VB2010でのプログラムにはてこずりました(USB-IO2.0の解説書と首っ引き)がこれは至って簡単、私のような電子分野ド素人でも可能でした。USBケーブルを使用しPCのUSBポートと画像の右側にあるコネクターを接続すると、PC上で認識をして、制御可能となります。LEDの取付は画像の上のJ1の0から7番ピンに8個のLEDそれぞれの足の長いアノード(プラス)を接続し、足の短いカソード(マイナス)を下のGNDに接続することで、プログラムから各ピンに出力命令"1"を命令することにより点灯し、消灯の場合は"0"となります。
LED電源はPCからUSB経由で供給されますから大変便利です。供給電圧は5V、1ピン当り最大25mA、全ピン合計80mAですので、使用したLEDの規格(3.2V)から言えば各LEDは10mAに抑える必要があり、180Ω程の抵抗が必要になるところですが、今の所1個点灯の場合も8個点灯の場合もLEDに支障はありません。
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06

列車制御 @

入手したUSBはPWM制御ができないため、プロポーショナルな速度調整は不可能?ですが、速度は停止、低速、中速、高速の4段階の切り替えとしました。停止は何も命令を出力しない状態"0000"(J1ピン0〜3)、低速の場合は"0100"、中速"0010"、高速"0001"と命令を出力することにより制御できました。もちろん走行用電源はUSBから供給できませんので、リレーを介してAD-DC9V1.3Aを使用します。リレーはUSB出力が5Vだから5V小型リレー 接点容量:1A Y14H−1C−5DSでいいのかなと全く自信無く調達してみましたが、やはり反応無し、電流が小さすぎるようで反応無しです、検索-検索-検索・・・。検索に次ぐ検索の結果、流増幅のためのトランジスタアレイと3V小型リレー 接点容量:1A Y14H−1C−3DSを調達し、接続してみると無事に反応しました。リレーを経由した電源線に低速と設定したものには60Ωの抵抗、中速は40Ω、高速は10Ωを経由させていました。

3V小型リレー

トランジスタアレイ

列車制御 A

しばらく@状態でビルの合間を周回させて遊んでいましたが、駅に見立てたビル2Fホームにうまいタイミングで停車させることができず、ようやく後進命令が無い事に気づいて、リレーをひとつ増やして前進、後進の切り替えを行うことにしましたが、リレー回路を考えている途中で、またまた軌道逸脱です。列車を一定の場所で減速したり、停車位置に正確に停車させるためには? センサーがあれば列車をセンサーで感知した時、感知信号を入力できれば列車に減速や停止命令を出すことが出来るかも・・・。検索-検索-検索、センサーも様々あり、この分野に無知の私に選択が可能とは思えませんでしたので、「抵抗を接続するだけでセンサー機能を果たすことが出来ると」あったローム反射型フォトインタラプタRPR-220、赤外線の反射(データシートによると反射距離は6mmが最良)を利用したセンサーです。「フォト・リフレクタのフォト・トランジスタの出力は、反射光が多い場合に多くの電流が流れます。赤外線が反射されない場合は、流れる電流の量が少なくなります。そのためフォト・トランジスタのコレクタに接続された負荷抵抗の電圧降下が少なくなりフォト・トランジスタのコレクタの電圧が上昇します。」と言う原理だそうです。NETで検索した接続すべき抵抗は用途によりまちまちでしたが計算根拠のある抵抗値を使用することに、反応を確認しながら変化すると思われますが、赤外線LEDに対しては(5v-1.34v)/20mA(MAX50mA)=183≒200Ωの抵抗 トランジスタに対しては(5V×(電圧降下率60%))/0.0001A=30000Ω ≒30kΩで反応を検証します。自分でも確認の意味で配線図を書いて見ましたが・・・・。

RPR-220センサーテスト回路

反射型フォトインタラプタRPR−220

コンパレータ LM339

USB-IO2.0のVCCから5Vが200Ωを経由して1.34V(18.3mA)として赤外線LEDに供給され、反射物がある場合はトランジスタ側に電流2.0V(0.1mA)が流れる、かも・・・・。反応の確認はどうしたら? 発光LEDへの確認は200Ωとアノードの間にLEDを設置すれば点灯による通電確認ができそうですが、トランジスタ側は? 同じように30Ωとコレクターの間にLEDを取り付けて製作開始。
テスト回路を製作し(単純な配線図なんですが、実際にテスト回路を作ってみるとど素人の私にとっては相当手こずります)、当初赤外線LEDに通じる抵抗を200オームにしていたのですが、トランジスタ側の発光LEDの発光が微弱のようでしたので、100Ωとしてみました。その結果赤外線LEDで3.7Vが計測され、供給過剰のようですので50Ωを追加する予定です。また、トランジスタ側の抵抗の増加は反射物の有無で生じる電圧の差を大きくするようで、40KΩとしてみました。センサー回路をプラス側をUSB-IO2.0のVCC、マイナス側をGNDに接続。PC電源オンで100Ωとアノードの間に設置した通電確認用のLEDが点灯しました。センサー部に白紙を近づけると、センサーが働いて、又エミッターとGNDの間に設置した反応確認用のLEDが点灯しました。当たり前ですがセンサーと白紙の間隔によって、LEDの光の強さが変化しました。
センサーは確かに反応することが確認できました。反射物のある時は2.5V、反射物が無い場合は0.05Vの計測です。次はこの電圧のアナログ変化をUSB-IO2.0に出力できるか? またUSBでデータとして取り込めるか、処理できるか? データシートによると私の入手したUSB-IO2.0(AKI)の入出力はデジタル信号に限られていますので、このアナログ信号をどうやってデジタル信号に変換するかと言う問題に突き当たりました。また、HPの検索、検索です。ありました、コンパレータと言うそうですが二種類のアナログ信号を基準を設けることにより、基準より低い場合L(出力0)、基準より高い場合H(出力1)のデジタル信号が得られるという優れものです。コンパレータ発注中!
と思いきや、HP検索中に、光変調型フォトIC「S7136」を発見。フォトダイオード、プリアンプ、コンパレータ、発振回路、LED駆動回路、信号処理回路が集積されたもので、赤外線を受光することによりL、遮光されることによりHのデジタル信号を取得できるもののようです。配線も赤外線LEDを接続するだけで簡単なようで、電源電圧も5Vで使用可能のよう、どうして最初っから見つけられないかな〜、私にとって電子分野は五里霧中、手さぐり状態ですから、一歩一歩進む(時にはなん歩も後戻り)んで仕方が無いですね。コンパレータもすでに入手しましたので、それを完成可動状態にしてからこちらに着手してみようと思います。
相当な考え違いをしていたようです。「RPR-220からのアナログ信号をUSB-IO2.0の必要なデジタル信号にしなければならない」と思い込んでいました、赤外線センサーからの信号をコンパレータに接続してみましたが、入力電圧は反応時の信号出力電圧が2.5V、無反応時0.05Vですので、基準電圧の設定を1Vに設定したつもりですが、コンパレータからの出力電圧は無反応。途方に暮れてしまいました。これ以上は私の電子知識では対応できませんので、いっその事センサーから直接に電圧のアナログ信号を直接USB-IO2.0のJ2ピン1に取り込んでみようと回路の改修です。出力電圧をなるべく高くするようにセンサー赤外線LEDへの電圧供給は抵抗100オーム経由、赤外線トランジスタへは40kΩの抵抗経由とし、出力電圧は4.6Vとなりました、この信号をUSB-IOポートj2(内臓プルアップ⇒十分な理解をしていませんが・・・、プルアップの実装は不要のようです)、ピン2に取り込んで、USB-IO2.0の状態をモニターしてみると、センサーが反応時は”0”を、無反応時は”1”の反応を確認できました。得意の思い込みでずいぶん回り道をしてしまいましたが、センサーユニットの完成となり、j2のポートはあと3か所残っていますので、追加でセンサー取付が可能です。

最終のセンサーユニットの配線図

信号線接続がJ2ポートピン@となっていますがピンAです

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04

Back                        後進を加えたリレーの走行制御

当初はUSB-IO2.0のJ1ポート、ピン5〜7の三つでそれぞれのリレーを介して低速、中速、高速をコントロールしていました。低速の場合はUSB-IO2.0→トランジスタアレイ→リレー→走行電源9V→60Ω抵抗→走行電源供給、中速の場合は40Ω、高速の場合は10Ωと言うように、それぞれのリレーを切り替えることにより走行速度を制御していましたが、後進を加えるとなるとリレーの組み合わせによる走行制御が必要になりました。USB-IO2.0、リレー、トランジスタアレイ、抵抗が乗った基盤は上部は一見整然としていますが、基盤裏面は計画の修正に次ぐ修正で配線の取り回しが複雑になってしまっています。特に、基盤上部の部品の配線が裏面の場合逆になってしまったり、一日掛けたハンダ付け作業も配線の接続誤りが後を絶たず、下記配線も確認に確認を重ねて、修正した走行制御用プログラムにより走行試験をしましたが、後進OK、停止OK、低速NG、中速OK、高速OKという何とも奇妙な結果になっており、不具合を確認中です。走行制御の不具合はプログラミングミスでした、接続ピンを取り違えてプログラムを作成していたせいでした。単純な思い違いで、J1ポートとして表示される順番は7-6-5-4-3-2-1-0ピンの順番でした、試験走行は順調に終了しました。ホームにセンサーを取り付けての試験も良好でした。反応は車体色で十分反応しますので、赤外線の反射板を列車に取り付けることも不要でした。ブレーキを掛けている訳ではないので、走行惰性でセンサー位置から少し進んでしまいますが、感知不良は0%の精度で反応しています。

訂正:上記USB-IO2.0のJ2のピン番号が逆になっていました。結果的にピン2に信号入力されることになります。

接続前

接続後

USBを接続すると、画像右側の状態となります。上段にUSBを認識した旨、及び現在のJ1(ピン7〜0)、J2(ピン3〜0)の状態が表示されます。列車走行制御は画像中段の後進、停止、低速、中速、高速のボタンにより行います。センサーによりホームで停止させる場合はチェックボックスにチェックを入れておくことにより、55/1000秒(割り込み時間は教科書通りに設定)ごとにセンサーでのチックが入り、反応した場合にはセンサーからの信号を受け低速、中速、高速のいずれでもホームで停止します。走行状態の場合は駅ビルホームの照明が自動的に点灯します。画像下段はLED照明の制御部となります、消灯、駅ビルホーム、駅ビル1F、街路灯をそれぞれ個別に制御します。ピン3が一つ余っていますが、これには訳があります。現在USB-IO23.0は列車走行用とLED用の2個がありますが、これを同時に使用して制御する場合、個々のUSB-IOをプログラムごとに区別する必要があり、上位機種ですとプロダクトID等で区分できるようですが、これはピンの設定の相違でプログラムがそれぞれのUSB-IOを認識する必要があるためです。列車走行用のUSB-IOはJ1ポートのピン3が入力設定にしておき、LED照明用USB-IOはJ1ポートのピン7を入力設定にしておくことにより、それぞれプログラムで区別認識できるようになります。

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05

LED8個制御プログラム画像

接続前

接続後

操作の説明

大型商業ビルのLED制御プログラムの画面、ビル構造は8階建てで各階にLED1個づつ、及び1Fショーウインドウ(1階LEDと連動)に1個、屋上に赤色自動点滅LED(8階LEDと連動)の10個のLEDを配置しました。J1ポート(0〜7)を使い、制御プログラム画像上段は現在のUSBの出力状態が表示されます。中段左側は全灯一括の点・消灯です、中段右側は各階ごとに時間差により順次点・消灯します。

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07

大形ビルファッションビル 1棟 中型ビル 1棟

メインの8階建大型ビルです、LED点灯試験のため、各階に1個づつ、及び1階ショウウインドウ、屋上には赤色自動点滅LEDを設置しています。ベースサイズ=112*112

2階をホームとした駅ビルの中型ビルです。ホーム内と1階にLEDを設置してあります。センサーはここに取付予定です。

総合ビル 1棟 ビジネスビル 2棟

高層の総合ビルで、各階にLEDを設置しました。1階をファションフロアーとして、ショウウインドウに緑色、赤色のLEDを設置しました。

ビジネスビルとして2棟用意しました。1棟は各階にLEDを設置し、透明ガラスですので、事務所内部の作り込みを計画しています。もう一棟はガラス部がスモークとなっていますので、各階にLEDを設置したのみです。ベースサイズ=62*81

商業ビルB 3棟 商業ビルA 1棟

商業ビルとして、車販売店、スポーツ用品店、衣料品店とし、各階層の仕切りが無いため、LEDは各棟1個づつの設置しました。車輛販売店には展示用車両が1台入っています。

スペース調整用として準備したビルです。LEDの設置は1個です。

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08

 
   
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

09

仮配置画像

2階建て駅舎

大型商業ビル付近

複合ビル付近

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