ﾏｲｺﾝ内蔵ﾌﾙｶﾗｰLEDで5灯式信号機

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NeoPixel(ﾏｲｺﾝ{WS2811}内蔵ﾌﾙｶﾗｰLED)を
5個使用して鉄道で運用されている
5灯式信号機の模型を作成してみました。

参考までに5灯式の信号機は
閉塞区間(列車と列車の間隔)を
少しでも短くしたい線区
(例えば南海の新今宮～天下茶屋では連続的に運用)
で使用されています。
5種類の表示現時があります。

列車が通過すると信号機は
通過直後は赤を表示し(停止現時)
その後方(次)の信号機は黄2個(警戒)
さらに後方の信号機は黄1個(注意)
さらに後方の信号機は黄1個、緑1個(減速)
さらに後方の信号機は緑1個(進行)
とする仕様です。

まずは信号機本体を作成しました。
外形形状が信号機に見える基板を設計
実装部品はLED(NeoPixel)5個と
土台と接続すためのコネクタのみです。

信号機を支えるために土台が必要です。
とりあえず試作版として、UV基板で土台を作成
土台の上に信号機本体を接続して１ユニットとします。
土台には入力側と出力側のコネクタを配置し
ユニット間を接続できるようにしました。

フルカラーLEDである必要はないのですが
LEDに内蔵されているマイコンの特性により
最小限(電源含めて3本)の配線で
制御できる利点を利用させていただきました。

ユニットを6セット作成し、
マイコンボードと初段のユニットの入力側を
3本の配線で接続、ユニット間も出力と入力を
3本の配線で数珠つなぎに接続します。
1個のマイコンで信号機をまとめて制御します。
制御信号を生成するマイコンには
ESP8266(Wifi機能搭載マイコン)を使用
信号を3.3Vから5Vにレベルシフトして出力させます。
将来的にはWifiで無線を使用した運用も可能。

鉄道模型と連動させて動作させ
集中管理システムの模型のようなものを
構想していますが、MakerFaireの展示で鉄道模型を
展示するだけのスペースを確保するのは
むずかしそうに思えたので
鉄道模型の代替として列車の位置を
LEDで表現することにしました。

以上を考慮して土台の基板の設計しました。
土台の基板には列車の位置として
LED(NeoPixel)を2個(信号機の前と後)配置しました。
列車の種別を色で表現することもできます。
ユニット間を接続するためコネクタの
形状はGroveと2.54mmピッチのソケットの
いずれかを選択できるダブルパターンにしました。
上側が2.54mmピッチのソケット
下側が最近はやりのGroveです。

制御信号を信号機用と列車位置用をの2系統に分離し、
ソケットのピン数を3点から4点にしています。

設計した土台を使用した信号ユニットを
6台接続して動作させてみました。
青色に点灯しているLEDの位置が列車の現在位置で
列車は画面手前から奥へ移動します。
列車の進行方向に対して
後方の信号機が停止現時になります。

動画は準備中

部品調達はLED及びLED実装基板以外は
シリコンハウスやデジットで購入しました。
フルカラーLEDは秋月電子さんから
「PL9823-F5」を購入しました。
40円なので店頭販売価格と比較すると
単色のLEDの価格と大差がありません。
高輝度LEDだと単色でも同じか
それ以上の価格で販売されていることもあります。
「PL9823-F5」は4端子のLEDで
信号入力、電源、GND、信号出力
のピン配置となっています。
データシート(秋月さんのページからDL)
を確認すると、マイコンが内蔵されていること、
シリアル信号のパルス幅を「1」「0」
と判別して制御する仕組みとということまでは
わかりますがマイコンの型番が記載がなく
内部構成のブロック図の記載がないため
外付け部品の要否を簡単には判断できません。
下部にApplicationなる回路が記載されていますが
これを外付け部品と仮定すると
パスコンはマイコン側に付けるべきもので
矛盾します
何を伝えたいのか判断できません。
困ったものです。
「PL9823-F5」の商品のページに内蔵マイコンとして
「WS2811」のデータシートがリンクされているので
内蔵されているのは「WS2811」と判断し
こちらのデータシートもダウンロードして仕様を推定しました。

制御方法が独特で
Hの時間を1.35us±0.15us、
Lの時間を0.35us±0.15us
で倫理が「1」として
「H」「L」がその逆のタイミングで
「0」の論理となるように制御信号を
生成する必要があるようで、
かなりシビアなタイミングです。
ArduinoでdigitalWrite
を使用して制御していたのでは
delayなしでクロックを生成しても
2～3usの時間が必要であり
到底間に合いません。
先駆者のライブラリを使用して
スケッチは作成します。
ライブラリのダウンロード、適用方法、使用方法に関しては、
下記をかなり参考にさせていただきました。
S/W参照元
ただし外付け抵抗やコンデンサは
下記を参照して挿入品のカラーLEDの場合は不要と
私は判断しました。
外付け抵抗が必要か不要か
もしリードタイプ(4ピン)のLEDの
電源ピンに100Ωの抵抗を挿入すると
10mAで1Vの電圧降下が
30mAでは3Vの電圧降下が生じます。
5V電源に対して抵抗の後段で
マイコンとLEDアノードを分岐させてしまうと
LEDの点灯条件により
マイコンのバイアス電圧が変動するという
ありえない構成になります。
リードタイプ(4ピン)のLEDには
抵抗が内蔵されていると判断しました。
実測してみようかと考えてWEBを検索してみると
すでに検証されている方がおられたようです。

LED実装基板はフレキシブルユニバーサル基板を
ハサミで切って製作することも考えましたが
不揃に基板が仕上がることが
予想できたので、PCBを設計して
製造依頼することにしました。
といってもH/W的には非常に簡単です。
下の写真のように単純にLEDを同じ方向に
下端(IN)、上端(OUT)として並べ
電源とGNDの2本は1直線で接続
後はINとOUTを数珠繋ぎするだけです

信号部の基板を作成するにあたり
DesignSparkPCBを使用、
非常に単純なパターンなので
回路図は作成せずに、いきなり基板図から
外形作成⇒2.54mm間隔でパッド配置⇒
パッド間とパッドの間の配線という手順
で設計(作図)しました。
意外と苦労したのは外形の作図でした。

なお土台部は暫定的にパターン付ユニバーサル基板で
製作しています。

現在「Maker_Faire_Tokyo」へ出展応募中です。
選考に通過すれば、もう少し仕様を見直したもので、
出展したいと思っています。

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(最終更新 2019-05-13)