KATOのSOUND BOX(サウンドボックス)を分解

 KATOのSOUND BOX(サウンドボックス)を分解してみました。

 KATOのSOUND BOX(サウンドボックス)のパネル
SOUND BOX本体

 ゴム足を取るゴム系接着剤を取る
ゴム足を取る

 6箇所のネジを取ると本体を開けられる
6箇所のネジを取る

 配線に注意してケースを開封
ケースを開封

 基板の裏側には2200μF25Vの電解コンデンサー
基板の裏側

 基板の表側に回路構成
基板の表側
 基板上部から回路構成を見てみると
・スピーカーの出力アンプは8ピンの47HFと捺印のIC
・MICアンプとライン入力アンプは14ピンのLMV824のオペアンプ
 基板中央部
・検出回路は14ピンのLMV824のオペアンプ
・PWM回路には2つの8ピンのIC(不明)
・中央にシール貼ってある小さいLSI(マイコン?)
 出力回路
・ショットキーDiのSK34が2つ並ぶ
 サウンドインターフェイス部
・TIの74ALVC125の電圧変換(5V/3.3V)の4bitバスバッファ

 中央に不明のLSIには手書きのような印
不明のLSI
 今回、サウンドボックスを分解したのは、「通信ポート」に何が繋がっているかを探してみたかったのですが、不明のLSIから直接出力されているようで、LSIの出力ポートからソフト制御で出力されてくるようです。そのため、通信方式はわかりませんでした。開腹しましたが、残念ながらそのまま何もせず閉じました。

 最も原始的な方法ですが、端子部分のみ引き出し配線でケースの外に引き出して別のパワーパックからコントロールすることは出来ます。しかし、それよりは基板ごと自作のパワーパックに内蔵した方がスマートなようなので、検討してみたと思います。

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    KATO SOUNDBOX用サウンドカード<C57・C59>

     KATのOSOUNDBOX用サウンドカードにまた1つ追加発売されたのが、SOUNDBOX用サウンドカード(22-202-8)で購入して試してみました。 SOUNDBOXに添付されていたサウンドカード以外にSL用サウンドカードとしては2つ目となります。

     3つのサウンドカード(左から添付カード、<C12・C56>カード、<C57・C59>カード)
    3つサウンドカード

     3つのサウンドカードの音をボタンで比較
    (最初は添付カード、2番目は<C12・C56>カード、3番目は<C57・C59>カード)


     3つのサウンドカードのブラスト音を比較
    (最初は添付カード、2番目は<C12・C56>カード、3番目は<C57・C59>カード)


     人によって好みが分かれるとは思いますが、今回の音はあまりよくないようです。実物は汽笛とブラスト音ともにもっと低音で響いているのではと思います。期待したのですがあまりにも軽い音で重厚感がないように思います。汽笛に関しては自作のパワーパックの音の方が遥かに良い音がします。実物の音をLSIに録音しているので、サンプリング周波数が低くてもいいのは当たり前ですが。自作のパワーパックのスピーカーの直径はSOUNDBOXの半分ぐらいの安いものですが十分ですね。

     参考:自作のパワーパックの汽笛


     ディーゼル機関車のサウンドカードが出ない限り追加購入はしない予定です。
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      KATOのC12/C56用サウンドカードを入手して比較テスト

       KATOからC12/C56用サウンドカード(22-202)が発売されて早速入手しました。
      新サウンドカード
       基本的な操作ボタンの配置は標準で付属してくるサウンドカードと同じです。
      1.汽笛
      2.排水
      3.制動
      4.注水
      5.絶気
      6.投炭

      KATOの動画にリンク


       台紙を広げると、サウンドボックスのボタン部分にかぶせて使える機能説明のラベルが用意されています。これは便利ですが、オマケ程度でいかにも裏表紙的で見栄えはよくありません。操作ボタンのゴムの感触がよくないのでどうせならシールの方がよかったように思います。
      新サウンドカード

       机上で標準のサウンドカードと新発売のC12/C56用サウンドカードを比較してみました。
      机上で比較テスト

      標準付属のサウンドカード

      C12/C56用サウンドカード


       比較すると汽笛は確かに違いがわかりますが、それ以外はあまり差がないように思えます。ドラフトと投炭が少し違うかな。微妙です。

       標準のサウンドカードと同じように3種類の汽笛を切替えることが出来ます。

       ボタン1とボタン2を同時に押してLEDが点滅したらボタン1で切り替わります。
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        KATOの [22-101] サウンドボックスが早くも再生産

         KATOから[22-101] サウンドボックスが1/29に再生産して出荷されるとの予告が出ていました。相当に売れているようですね。各種のサウンドカードがまだ販売予告されていないので、他の音は工夫が必要です。

         そこで、発電機を搭載している客車の音の再現に1つのアイデアを検討してみました。回路的には簡単で録音再生用ICのAPRO9600を利用してリピートモードで再生して、電源バックアップに電気二重層コンデンサ(2個直列で耐圧5Vに)を載せればある程度は停車中でも音を出し続けることは可能でしょう。
         課題はICが28ピンDIPのためNゲージではサイズがギリギリであることと、ICの製造メーカーも既に生産を打ち切っていることです。2,3個在庫購入しておかないとダメかも。

         そこで小さくて似たような録音再生ICにISD1810というのが見つかりました。
        (録音時間:20秒、動作電源:3〜4.5V)
        ISD1810をベースに作られた録音モジュール、マイク、スピーカ、スイッチ等わずかな部品を加えて録音・再生システムを構築することができるという。詳細は下記のURLを参照ください。
        http://www.aitendo.com/product/3643

        ●機能・仕様
        動作モード:
        (1)PE再生モード:PEボタンを押して再生開始、録音した内容が終わるまで続けて、途中停止はPLボタンを押す
        (2)PL再生モード:PLボタンを押し続けて再生が開始し、PLボタンを離したら再生が停止する
        (3)繰り返し再生モード: LED-とPE をショットして可能
        外形寸法:17.5x15.0x2.5mm、接続:2.54mmピッチ12P(幅600MIL)

         それ以外にも、拡張性は全くありませんが、パワーパック内に組み込む場合は1種類の汽笛なら可能です。車両に組み込む場合にはスイッチ機能をどうするかが問題もです。
         
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          KATOのSOUND BOX(サウンドボックス)を入手

           KATOから先日発売されたSOUND BOX(サウンドボックス)を予約していたので、本日、配達されてきて無事に入手できました。

           SOUND BOX(サウンドボックス)
          SOUND BOX(サウンドボックス)

           説明書以外(著作権上削除)の本体、サウンドカード(蒸気機関車)、ケーブル
          SOUND BOX(サウンドボックス)
           残念ながら専用電源はありません。KATOのパワーパックのスナップ端子につなげるようになっていますが、そうでない場合には別途、電源を用意する必要があります。手持ちに、DC12VのACアダプターが2つあり、1.2Aと50mAがあるので小さい50mAでテストして問題なく動作しました。(未確認情報:スナップ端子からの電源供給だとピーク電圧がかなり高いという情報もあり、外部電源からの方が安全そうである。

           本体の背面の情報がなかったので、真っ先に確認しました。外部電源の端子(Φ5.5×Φ2.1)で手持ちACアダプターをそのまま利用できる規格サイズでした。
           背面
           気になるのがその隣にある「通信ポート」である。説明書には何も情報がありません。このポートからRS232Cのシリアル通信でこのボックスをコントロールできるのでしょうか(推測)?

           ところで、テストでファクションボタンを押してみましたが、ファクションボタン5は走行中では力行と絶気が切替わりますが、停車中では給水の音になるで驚きました。なお、まだ試していませんが、1番と2番を同時に長押しすると、3つの汽笛の音程を選べるという情報もあります。

           今後、カードの種類が増えてくると同時にいろいろな情報が出てくるでしょう。音声出力をカプリングCでレールに流してあげれば、走行中の車両を改造してスピーカーを搭載すれば車両からも音声をだすことができそうですね。

          【追記】
           外部電源に50mAの小さいACアダプターでも音は出るのですが、走行させるにはパワーが足りず1.2AのACアダプターにしないとダメでした。さらに、私の製作したPWM方式のパワーパックでも動作しました。但し、特徴的なスロー動作やスムーズな動作はせず、DC動作の時と同じになってしまいます。このサウンドボックスでは入力電圧を検知してそのままスルーしていないようで、サウンドボックス内部で再び出力電圧を発生させているようです。

           従って、ACアダプターもモーター車を動かすだけのパワーが必要であり、PWM方式の入力に対して別の出力に変わってしまうようです。このサウンドボックスの制動はPWM方式に慣れていると急ブレーキで止まるようで違和感があり修正してほしい点です。
          なお、PWM方式の入力電圧はメーカーで保証されていませんので、自己責任でお願いします。

           また、重連のSLに対して協調して動けば、違和感なく動作します。すべてのモデルをテストしたわけではありませんが、KATOの2019のC62だけは他のSLからかなりスタート電圧とシンクロが外れるのでちょっと違和感がありました。KATO以外のメーカーのモデルも特に問題なく動作しました。

           結論、音を楽しみたい分にはとても楽しく遊べますが、スロー動作などのスムーズな運転を楽しみたい場合にちょっと問題でサウンドボックスの出力をPWM方式に変更してスムーズな動作にする必要がありそうです。自作のパワーパックからサウンドボックスをコントロールできるといいのですが、やはり通信ポートが気になります。よくやる運転で、単線上に2列車を走行させて退避して追い抜きをするような運転をしている場合には使えない。DCCだとNゲージでは小さなスピーカのため音質が悪すぎて改造してまで導入する気にはなりませんが、こちらは音質がよく改造なしで楽しめるのがすばらしいです。

           携帯電話のカメラで撮った動画なので解像度が低いですが、雰囲気は出ているので動画にして見ました。(テスト走行の様子)




           追加テストをしました。同じ自作のPWM方式のパワーパックを分岐して、一方はそのまま直接内回りの線路に接続して、もう一方はサウンドボックを介して外回りの線路に接続しています。従って、スタートとストップは同時ですが、重連も出来る同じD51(2016)なのに全く違う動作をします。サウンドボックを介してしまうと折角のスムーズさが失われてしまうのがわかります。まだ改良の余地がありますね。




           【動画の説明】
           内回りの線路はパワーパックそのままで、外回りの線路がサウンドボックスに繋がっています。外回りのD51のスタートが遅く、走行途中で内回りよりも速くなり追ついてきます。一番緩いブレーキを同時にかけて停車させてみると、外回りのD51は急停車してしまいますが、内回りのD51はゆっくり停車します。この現象からサウンドボックス内で出力電圧を作り直していると考えられます。

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            KATOサウンドボックスのC56はいいね

             2014年のKATOのサウンドボックスは進化していた。特に、C56のサウンドカートリッジによるデモンストレーションはいいですね。C56のサウンドカートリッジのデモは、ドレインコックも開けたりできようです。

             C56以外に、C11、C57、C58、C62、D51などで現在時点で動態保存されているSLだけでも揃うとうれしいですね。
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              ブラスト音再現回路を試作パワーパックに組込み実験

               試作した2ハンドルPWM式パワーパックにブラスト音再現回路を組み込んでみました。一応、加速ボリュームを上げていくとブラスト音のピッチも上がっていくことを確認できました。機能的には当初の目標を達成できました。
               ちょっと遊ぶのにはいいですが、加速ボリュームと車速と音とのマッチを取るのが難しそうです。やはり出力電圧だけでブラスト音のピッチを上げていくのは乱暴だったようです。また、もともとホワイトノイズですからスタート時はいいのですが、定速になってからは音がうるさく耳障りにさえなります。

              問題点
              (1)車両がスタートしていないのにブラスト音がスタートしてしまう。
              (2)車速にあったブラスト音のピッチを合わずリアル感がない

              暫定対応策
              (1)スタート電圧までブラスト音を切っておく
              (2)スタート電圧から最高速までの変化に対応して、LED制限抵抗とオペアンプの帰還抵抗を最適値に変更する

              改善すべきポイント
              ・スタートと同時にブラスト音がスタートすること
              ・車速にあったブラスト音のピッチになるように調整できること
              ・一定速度になったら給気時のブラスト音を切って惰行時の連結棒のみの音にできること

              市販品でLEDとCDSのカプラーを見つけたので早速交換してテストして見ました。
              LED-CDSカプラー

              試作用パワーパックに組み込む
              試作用パワーパック

               試作用パワーパックに組み込んでテスト


               車速にあったブラスト音のピッチになっていないようです。
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                SLのブラスト音を再現する回路を試作

                 MK134をベースにいろいろと改良を加えて小型化して試作してみました。最初はホワイトノイズ源をツェナーDiで試みましたが、どうも音が小さくさらに少し高音寄りの音質がMK134と大きく違いましたので、MK134と同じようにトランジスターのEB間のノイズを利用するようにしたら、同じような音質になりました。やはりツェナーDiは使えませんでした。

                改良点
                ・汽笛用の発振回路(昇圧回路にも利用)は削除した。
                ・電源電圧はパワーパックと同じ電圧にしたので、ノイズ源には昇圧回路は省略して直結した。
                ・定電流の電流とノイズの関係がわからないので、VRで調整して最適値を調整できるようにした。
                ・発振回路の周波数を変化させる帰還抵抗をVRからCdSに変更した。
                ・パワーパックの出力電圧で周波数が変わるようにCdSとLEDのカプラーを利用する。
                ・最適なCdSとLEDのカプラーがないので自作する(まだテスト中)。定数は試行錯誤して決める。
                ・トランジスタは手持ちの適当なものを使用したので、擬似プッシュプル出力回路です。

                試作したブラスト音再現回路
                ブラスト再現回路
                 なお、回路図に書き忘れました。トランジスタやオペアンプで音質がかわるので、MK134と同じLM324Nを使用しましたが、メーカーが違うので若干音質の違いがあります。型名の違いほどではありません。型名が違うとIC内部の回路構成が大きく違うためだと思います。

                MK134基板と試作した基板の比較
                試作した基板とMK134基板の比較
                 これで製作済みのパワーパックに内蔵できるサイズまで小型化できました。 試作した基板は電源電圧15Vなので音量は十分でうるさいくらいです。発振回路はどうしても低い周波数で発振しており止めることができません。従って、蒸気機関車モデルが動きださないパワーパックの出力電圧では音を切るSWが必要です。すでに製作済みのパワーパックに組み込む時には、加速するVRをロータリースイッチに交換して加速時のみブラスト音が出力するようにし、加速時以外はOFFにする必要がある。

                 ついでに、ブレーキレバーのロータリスイッチで1回路分余っているので、汽笛で利用しているAPR9600にブレーキの空気抜きの「プシュー」という音を追加で録音して、ブレーキレバーを戻したときに1回だけ鳴るように考えています。
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                  SLのブラスト音を再現する方法を検討

                   KATOのサウンドボックスに刺激されてSLのブラスト音の再現方法を検討してみました。音源はホワイトノイズにしてこれを間隔を置いて出力することでブラスト音に似せているようです。試しにMK134というキットを購入してみて回路を検討してみることにしました。
                   回路動作としてツェナーDiを利用してホワイトノイズ発生回路で音を発生させて、それを100倍(=20dB)にアンプで増幅して、その音をある周波数で間欠に出力する回路を通して、最終出力回路でスピーカーを駆動してブラスト音に類似した音にします。キットはアナログ回路でオペアンプを利用してできます。
                   MK134キットでは間欠に出力する回路のVRで速度を変えていますが、ここは一工夫が必要で今のところ3案あります。
                  .ットの回路を使って速度VRと連動したVRで変化させるようにする案
                  LMC555で間欠波形を作り、その定数を連動VRで変化させて間欠間隔を変化させる案
                  PICマイコンで出力電圧値か出力電流値などを読み取りその値から間欠間隔を変化させる案
                  どうもキットの音はホワイトノイズ以外のノイズで、きれいに「シュッ、無音、シュッ、無音、・・」とならず、「シュッ、シー、シュッ、シー、・・」というように余分なノイズが多すぎて聞きづらいようです。
                  【確認した動画にリンク】

                   回路的にはかなり改良が必要なようで、全面的に見直す予定です。なお、汽笛はKATOのサウンドボックスもMK134も日本のSLの音ではなくリアル感がないので、すでに搭載しているAPR9600の音声モジュールをそのままに使用します。従って、キットの中の汽笛関係の回路は除く予定です。
                   MK134キットのSPEEDボリュームを最小にしても音が出るので回路を変更が必要があり、かつ余計なノイズの発生をどのように抑えるかも問題である。
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                    APR9600のコントロールを検討

                     APRO9600の動作確認ができたので、次はRZ-1のMR-C3024からどのようにコントロールするかを検討しないとRZ-1に搭載できません。MR-C3024のUARTとI2Cはすでに使用済みなので、そのインターフェイスは利用できないという制限があり、残るはデジタルI/Oポートで行なうしかなく、どのようにするか検討しています。

                     現在、考えていることは識別コードは要らない単純な通信でいいのではと思っています。したがって、SW1からSW8を区別するのを、パルス幅かパルス数を検知して行なう方法しかない。パルス幅で検知する場合、例えば、50msでSW1から400mSでSW8がONする。パルス数を検知の場合、パルス1個ならSW1がONになり、パルスが連続して8個ならSW8がONになるという通信であれば、可能なように思うが、何をトリガーにしてカウントするかが問題である。

                     実験して波形確認してみないと、確定的には言えないが可能性は高そうである。弱点はノイズによる誤動作が心配であり、テストしながら仕様を決めることにした。最初はマイコンのコントロールでAPR9600がうまく動作せずタイミングなどを調整してみました。

                    テストして決定したのが、以下のような通信仕様にしました。
                    ・RA1のみ入力で、RB0〜RB7全てを出力にする
                    ・発振は内部発振を利用
                    ・パルス幅は50mSとする(SW動作なので高速動作させない)
                    ・1コードは800mSとする
                    ・1パルス目がスタートビットとして認識する
                    ・2パルス目からSW1〜SW8に対応したビットにする
                    ・パルス幅でもパルス位置でも検出できるようにする
                     →最終的にHになっているビットを検出して判定
                    ・出力後、すぐにリセットする(8ビットまで待たない)

                    通信のタイミングチャート
                    タイミングチャート
                     マイコンは発振子を無くして内部発振を使うので、PICマイコンの16F628Aを利用します。16F628Aのソフトも書き込みましたので、MR-C3924でうまく動作するかをテストする必要がありますが、MR-C3024のデジタル系端子はバッテリー電源なので、5Vではなく7.5V位になりますから絶対最大定格を越えてしまいます。従って、三端子電源で5Vに落とさないといけないことになるが、モジュールに載せられるかが問題である。載せられない場合には、電源とGNDはアナログ系から接続すれば可能である。
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                      カレンダ

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