KATOのターンテーブルの電気信号の情報

 KATOのターンテーブルを専用のコントローラでなく、コントローラをArduinoを利用して自作しようとしている方の情報を集めて整理してみました。うまくできれば、Arduinoを使って自作のコントローラができればと考えています。基本動作が完成すれば、それを改良して自分にとって使い勝手がよくなるように改良してみたい。

 物理的な分解は、鉄道模型机上の空論のサイトで、KATO電動ターンテーブル分解 をご覧ください。KATOのターンテーブルの機構の情報がわかりやすく説明されていますので、コントローラの電気信号を理解する上で参考になります。

1.ケーブルの信号アサイン
 まず、コントローラとターンテーブル間のフラットケーブルの信号がどのように配置されているのかの情報です。なお、レール給電では、NゲージのSL1、2台だけを駆動するので、自動で極性を変える場合には5V駆動リレーで12V/1Aが流せれば良いと思います。
 1番ピン ターンテーブルのセンサー入力信号(フラットケーブルの赤線側)
 2番ピン ターンテーブルのセンサーのGND
 3番ピン 回転モーター1
 4番ピン 回転モーター2
 5番ピン LOCKモーター1
 6番ピン LOCKモーター2
 7番ピン レール給電+
 8番ピン レール給電ー

2.制御ICの信号アサイン
 KATOのコントローラの制御ICはマイコン(attiny24A)が使われており、ICのプログラムは当然読み出し不許可となっているようです。このマイコンのピン番号〜マイコン信号名〜ターンテーブルへの接続をまとめた情報です。
 1番ピン VCC 5V
 2番ピン PB0 TURN- MOTORの選択1
 3番ピン PB1 LOCK- MOTORの選択2
 4番ピン PB3 RESET-
 5番ピン PB2 PUSH-
 6番ピン PA7 PULL-
 7番ピン PA6 緑LED 
 8番ピン PA5 ターンテーブル回転スイッチ入力1
 9番ピン PA4 ターンテーブル回転スイッチ入力2
 10番ピン PA3 (未使用?)
 11番ピン PA2 ターンテーブルの位置センサー
 12番ピン PA1 (未使用?)
 13番ピン PA0 (未使用?)
 14番ピン GND

3.動作フローチャート
3−1.基本的には
 ・回転用モーターとロック用モータのどちらを動かすかを選択
 ・モーターの動作方向は正/逆を選択
 ・デジタル信号は負論理で動作
 ・ターンテーブルの2つのモーターは3.3V仕様、制御ICは5Vで動作
 ・5V/3.3Vのレベルシフト回路が必要かも
  (3.3Vのセンサ信号は制御ICのアナログ端子で判定可)
  (制御ICのモータードライブICへの5V/3.3Vは抵抗分割の簡易回路でも可)
 .蹈奪モーターでロックを外す
 ▲拭璽鵐董璽屮襪魏鹽召気擦
 センサが位置決めポイントまで回転させ続ける
 ぅ札鵐気位置決めポイントに近くにきたら減速する
 ゥ札鵐気位置決めポイントに合ったら回転を止める
 Ε蹈奪モーターでターンテーブルをロックする
 上記の動作を組み合わせて信号を出しているようです。制御ICにおける操作と信号の関係は以下の通りです。分かりやすく、Lはオン(0V)、Hはオフ(5V)、Pはパルス(100Hz、50%)で表わしている。
 
3−2.回転レバーを左に倒した場合
 ゲ鹽哨譽弌爾鮑犬謀櫃
TURN-=H、LOCK-=L、PUSH-=H、PULL-=Lを1秒間 -> ギーという音でロック解除
◆イ修猟掌紊
TURN-=H、LOCK-=H、PUSH-=L、PULL-=Lを0.1秒間(Wait 100ms)
.回転開始
TURN-=L、LOCK-=H、PUSH-=L、PULL-=H
ぁゲ鹽哨譽弌爾鯡瓩->回転がゆっくりになる
TURN-=L、LOCK-=H、PUSH-=P、PULL-=H 
ァイ修慮絅譟璽襪琉銘屬一致する
TURN-=H、LOCK-=L、PUSH-=L、PUL-L=Hを1秒間 -> ギーという音でロックする
Αイ修猟掌紊
TURN-=H、LOCK-=H、PUSH-=L、PULL-=Lを0.1秒間(Wait 100ms)

3−3.回転レバーを右に倒した場合
 ゲ鹽哨譽弌爾魃Δ謀櫃
TURN-R=H、LOCK-=L、PUSH-=H、PULL-=Lを1秒間 -> ギーという音でロック解除
◆イ修猟掌紊
TURN-=H、LOCK-=H、PUSH-=L、PULL-=Lを0.1秒間(Wait 100ms)
.回転開始
TURN-=L、LOCK-=H、PUSH-=H、PULL-=L
ぁゲ鹽哨譽弌爾鯡瓩垢伐鹽召ゆっくりに
TURN-=L、LOCK-=H、PUSH-=H、PULL-=P
ァゥ譟璽襪琉銘屬一致する
TURN-=H、LOCK-=L、PUSH-=L、PULL-=Hを1秒間 -> ギーという音でロックする
Αイ修猟掌紊
TURN-=H、LOCK-=H、PUSH-=L、PULL-=Lを0.1秒間(Wait 100ms)

上記の0.1秒間は、モーターの回転を止める時に必ずでてきます。但し、50%デューティ=低速回転の場合は除く。
KATOのコントローラを壊したくないので、Arduinoとブレッドボードを利用してノンビリと開発していこうと思います。回路としては2つのモーターを動かすHブリッジドライブIC(BD6211)だけが必要です。オプションでLCDも利用しようと考えていますが、LCDは流用するつもりです。
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    Arduinoを使ったPWM方式のパワーパックの情報

     Arduinoを使ったPWM方式のパワーパックを製作されている方がいました。リアルな音も出るようなので電車の鉄道模型を持っている方には向いているのではないでしょうか。私は電車以外なので、興味はありますが製作することは無いでしょう。詳しくは下記をクリックしてご覧ください。

    ArduinoでPWMパワーパックを作ってみた

    上記の記事の中に
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    参考URL 1) YouTube デモ動画
        2) ソースファイル
        3) 回路図
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    があるので、ソースファイルや回路図が入手できます。但し、商用にすることはできません。

     回路図とスケッチ(ArduinoIDEではプログラムソースのことをスケッチという)を見たところワンハンドルの操作になっています。現在の電車ではワンハンドルになっているので当然ですが、ロータリースイッチをダイヤルで回すというのは私はどうも気に入らないのです。ワンハンドルとロータリスイッチに連動する機構を3Dプリンタでうまく出来ればいいのですが、操作で力が掛かるハンドルなので耐久性が必要で難しそうである。

    続きは、Arduinoを使ったPWM方式のパワーパックの試作をご覧ください。
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      KATOの特急「はと」と「つばめ」の競演

       KATOのEF58に牽引されたの特急「はと」(青大将)と「つばめ」を競演して走らせて見ました。

       特急「はと」(青大将)と「つばめ」(動画)
       
       スピードは120Km/h〜150Km/hとちょっとオーバースピードで走行しています。(なお、BGMは削除されるかもしれません)

       C57重連の特急「はと」(動画)
       

       つばめの編成で2両の室内灯がの取り付けがおかしいことが分かりました。1両は端子の長さが長過ぎて床下を押していたのが原因で、もう1両はブリッジDiをショットキーのブリッジDiに交換をしていなかったことがわかりました。早速、改修することにしました。
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        ArduinoによるDCCでコントロールする思考

         DCCやMarklin Digitalなどのデジタル鉄道模型を気軽に操作できるオリジナル機器を見つけました。DSshieldを製作すれば、パソコンとArduino UNOを使用してDCCのコントロールできる環境できるという情報を見つけました。

         Arduino UNO以外にDCC/MM2シールドキットというキット基板が必要になりますが、現在は在庫切れになっています。但し、サポートサイトに回路図はあるので自作はできそうであるが、問題はコネクター端子が千鳥になっているので一般的なユニバーサル基板はしようできないことです。基板さえ入手できれば、自作はできそうである。

         実際に使用している方のサイトにArduino と DCC/MM2 シールドを使うというのがあり参考になります。

         ソフトウェアであるスケッチはDSシールドにいくつか用意されているので、これらを自分に合った改良をおこなうことができる。

         なお、Arduino用ブートローダーの書き込みシールドを製作してみました。
        http://ameneko.net/aso-bit/2015/150517/150517.html
         しなぷすのハード製作記のサイトに参照にした回路図(PDF))があります。

         ArduinoでDCCでコントロールする環境は意外と自作で構築はできるようであるが、最大の問題はNゲージの車輌をDCC対応する改造はかなりリスクのある改造であるように思います。また、DCC対応の部品代も高く、これも導入する上での障害である。

         私はBluetoothなどによる無線によるコントロールが夢であり、以前、Bluetoothによる音声の無線化を実験してみており、Arduino+Bluetoothでの実現性を考えていきたい。音声ではスピーカーサイズ以外は問題ないので、HOでは今でも実現できると思います。また、HOであれば、先日のスケールスピードメーターを改良すれば、車輌側での速度検出は可能であり、WiHiで現速度をPCに送りそれに応じた音声をBluetoothで送ることもできそうである。
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          KATOの特急「はと」青大将 基本7両セット(10-234)

           EF58と一緒に購入した特急「はと」青大将 7両基本セット(10-234)です。この淡緑色と呼ばれ色の客車も機関車と専用で運用されていたました。特急「はと」と「つばめ」だけだったように思います。

          特急「はと」青大将 7両基本セット
           カプラーの交換と自作の室内灯を取り付ける。もう相当に慣れたのですぐに走行できる状態になります。

           特急「はと」青大将
           
           試運転のため単線でのスロー走行です。
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            KATOのEF58初期形大窓 青大将を購入

             KATOの特急「はと」青大将 7両基本セット(10-234)と一緒にEF58初期形大窓 青大将ヒサシ付(3048)を新規購入しました。この色は正式には淡緑色と呼ばれおり、この車輌例外にはなく珍しい色でかつヒサシ付きが気に入っています。「つばめ」というよりも「はと」というイメージが強い色です。

             特急「はと」青大将の機関車と客車基本セット
            特急「はと」青大将

             KATOのEF58初期形大窓 青大将(3048)
            EF58 青大将
            EF58 青大将

             早速、付属品の取り付けとカプラー交換を行ないました。苦手なホイッスルの取り付けでは、付属のホイッスルは温存しておき、補修と予備で購入した金色のホイッスルを取り付けました。それでも2個はどこかに飛んでいってしまいましたが、無事に残りの2個でうまく取り付けられました。本物とは違うかもしれないが同じ色のホイッスルよりもこちらの方が目立っていいアクセントになります。

             ホイッスル変更
            ホイッスル変更

             機関区のEF58が勢ぞろい
            EF58群
            EF58群
             走行は、フライホイールが効いており、スムーズな走行とスロー走行も可能です。

             EF58だけでテスト走行
             
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              トラ90000を空荷に変更

               トラ90000用に空荷用金網パーツセット(11-561)が発売になり、トラ90000を空荷に変更することが出来るようになりました。

               空荷用金網パーツセット(11-561)
              空荷用金網パーツセット

               オリジナルのトラ90000と空荷パーツ
              トラ90000

               空荷になったトラ90000
              トラ90000gwo
               ケースに仕舞うのがちょっと面倒であるが、中敷を取り除けばなんとか収まりました。もうちょっと工夫して金網まで交換しないで済むようにしてもらいたかった。金網が詰まっているかいないかの違いなので、金網の内側に紙で隠せばいいレベルである。私だったそうしていますが儲からないか。。。

               金網の違い
              金網の違い
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                スケールスピードメーターのケースの製作

                 100円ショップで適当なサイズを見つけたので、取りあえずカッターナイフで穴加工してケースに収めてみました。できれば。9V電池も収まればされによかったのですが、一応、これで今回のスケールスピードメーターの製作完了とします。今後はLCD交換や利用していて不具合があればを改善する程度でしょう。

                 100円ショップで購入したケースと本体
                購入したケース
                 (上の写真の本体向きが逆でした、センサー側が上向きです)

                 加工後にケースに収めてみた
                ケースに収納
                 Nゲージ・HOの切替はケースの蓋を開けて切替えますが、いつも切り替えませんのでこれで良しとしました(手抜き)。

                 【追加】2018.3.2
                 NゲージのSL(側面が凸凹)でも計測できるかのテスト
                 
                SLのスロー走行をテストしてみました。

                 移動が面倒なので、手元にあった有り合わせの部品でちょっと改良しました。

                 電池ボックス(9V)を取り付ける
                電池ボックス取付け

                 電池のスイッチを付ける
                電池のスイッチ
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                  鉄道模型用スケールスピードメーターの資料

                   スケールスピードメーターが、一応、完成しましたので、実際にテストをしています。誤動作することが珠にあり、改善の余地はまだありますが、これを基本形にノイズ対策など精度を今後上げていこうと思います。参考になればと回路図、部品表、ソフトウェアを掲載すます。ソフトウェアはどこかのサイトを参考にデバッグしながら修正しているのであまりきれいではありませんが、短いソフトなので解読は出来るともいます。LCDは標準SC12602に準拠しており、16文字×2行の表示に対応しています。縮尺率や計測距離など調整、変更してください。

                   回路図
                  回路図

                   部品表
                  部品表
                   すべて秋月で購入できると思います。Arduino UNO Rev3は互換品での動作は保証できません。自己責任でご確認ください。価格は参考価格です。

                   ソフトウェア
                  (見づらいので折りたたんであり、続きを読む>>をクリックすれば開きます。)

                  【変更点】2018.2.27
                   ・HOの縮尺の表示を、1/80から1/87に変更
                   ・計算式の中でも、80から87に変更
                   ・計測エラーのエラー処理(Error表示)を追加
                  0

                    鉄道模型用スケールスピードメーターを製作2

                     プログラムはほぼ出来上がってきたので、鉄道模型用スケールスピードメーターのハードを製作しました。製作する上で、Arduino UNOのUSB端子が大きく専用のユニバーサル基板の配置をきちっと決めないとUSB端子のシールドでショートするので注意が必要です。実はLCD端子と1列間違えてしまいショートすることが分かり修正するということになりました。

                     オリンピック競技を応援しながら、製作してます。

                     鉄道模型用スケールスピードメーターの基板
                    スケールスピードメーター
                    スケールスピードメーター
                     ながら製作をしたので簡単な回路の割りに、配線を間違えてLCD端子の付け直しをしたり、LCD端子の半田付けを間違えたり忘れたり、USB端子のシールドでショートして原因が分からず苦戦したりで、散々でしたがオリンピンックはメダルラッシュで素晴らしい結果でした。

                     おめでとう! お疲れ様でした

                     なんとか配線が完了してプログラムのデバッグを行なう。車輌とセンサーは近すぎると誤動作するみたいで、1cmほど話した方が安定して測定できるようになりました。

                     一応、完成!
                    スケールスピードメーター

                     動作チェック動画
                     
                    ・測定する車輌から1cmほど離して設置
                    ・9V電池を接続
                    ・VRはLCDの明るさ調整
                    ・手前のスライドスイッチはNゲージとHOを切替え
                    ・「OK」の表示で測定
                     思い立ってから1週間程度で、多少の誤差はありますが利用できる範疇まで出来たことに満足しています。ケースは常設ではないので面倒くさく、当分、このままで使用してみます。ジオラマでもあれば、センサーを建物に隠してパワーパック近くに表示させるのがいいのかもしれません。
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                      カレンダ

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