電車でGOマスコンで鉄道模型を運転できる液晶付パワーパックを作った
半年くらいずっと開発していた電車でGOコントローラ対応のパワーパックがついに完成しました。
電車でGOコントローラのプラグを直接接続してマスコンで鉄道模型を運転できます。
動画でも紹介しているのでぜひご覧ください。
基本仕様
基本的な仕様は以下の通りです。
- PWM制御
- 12V / 2A出力
- 常点灯対応
- USB端子、プレステ端子装備で計3種類のコントローラーの直接接続に対応
- 2.2インチTFT液晶を装備、スピードメーター風の出力計とマスコン位置表示
- デュアルコアCPUでPWMパルスをミリ秒単位で制御することで低速安定性向上
- コントローラなしで通常のボリューム式PWMパワーパックとしても使用可能
スマホスタンドを使って本物の運転台のように運転することができます。
対応コントローラー
以下の3種類の電車でGOコントローラーに対応しています。
・瑞起 Nintendo Switch用ワンハンドルコントローラー
・プレステ用 ツーハンドルコントローラー SLPH-00051
・プレステ用 ワンハンドルコントローラー TCPP-20001
旅情編用や新幹線用など、他のプレステ2用の電車でGOコントローラーも対応できたらいいな、
とは思っているんですがいかんせん中古相場が高いので手を出せないでいます・・・
表面 操作部
スイッチは電源と正転/逆転切り替え、つまみは上が常点灯出力、下が加速倍率の設定つまみです。
加速倍率のつまみは通常のボリューム式パワーパックとして使う時は出力つまみになります。
画面表示
メイン画面ではマスコン位置とスピードメーター風の出力計が表示されています。
メーターは0km/hで常点灯出力値、120km/hで最大出力(設定で制限可)になります。
コントローラ側のボタンで設定画面を開くことができ、細かい設定項目を変更できるようになっています。
背面 端子類
両方同時に接続することができ、使いたいコントローラ上のボタン長押しで切り替えができます。
左側は電源のDCジャックとレール出力用のユーロブロックのレセプタクルです。
自作系のパワーパックではスピーカー用のプッシュターミナルが使用されることがほとんどですが、個人的にはユーロブロックが最強だと思っています。
プラグ接続で簡単に抜き差しができ、プラグの作成は配線をむき出しにしてドライバーでねじ止めするだけです。
ただしレセプタクルが基板に半田付けして使う前提なので設計が大変というのはあります。
ハードウェア
・マイコン
マイコンは秋月電子で売っているESP32-WROOM-32Eを使用しました。
初めての表面実装半田付けだったんですが、端子間隔1.27mmと広めなので結構すぐ慣れて簡単にできるようになりました。
・モータードライバIC
モータードライバは秋月電子で売っているTB67H450モータドライバモジュールを使用しました。
・液晶パネル
液晶パネルはAmazonで売っているMSP2202の互換品と思われるものを使用しました。
Lovyan GFXが対応しているILI9341という液晶ドライバを使用しているそうです（この辺よくわかってない）
・USBホスト基板
USBホスト基板はM5Stack用のUSBホストモジュールから基板だけ取り出して使用しました。
・専用ケース
専用のアクリルケースを「はざいや」で作成していただきました。
WEB上で専用の設計フォームを使えるので電子工作の専用ケースを作りたい方にもおすすめです。
縦横高さ好きなサイズで制作でき、穴あけや面取りなどさまざま加工に対応しています。
元々フィギュアなどのディスプレイ用の透明アクリルケース向けだと思うので、
ケースと蓋を固定するには四隅に3.2mmの穴を開けてもらい両雌ネジの六角スペーサーを使いました。
底面側にねじ止め式のゴム足をつけると便利です。
今回のケースは加工費込みで5500円ほどでした。
安くはないですがこの価格で1個からの小ロットでオーダーメイドケースを作ってくれるのは破格だと思います。
基板設計
基板の設計にはKicadを使用しました。
かなり頑張って設計したのでスイッチやコネクタ、ボリュームも含めて基板上に全てのパーツを配置し面倒な配線作業をなくすことができました。
ソフトウェア
開発言語はArduinoでライブラリは
- USB Host Library Rev. 2.0（USBホストモジュール）
- Psx（プレステコントローラー読み取り）
- Lovyan GFX（液晶パネル描画）
などを使用させていただきました。
こういう便利なライブラリがたくさんあるのはArduino環境の強みですね。
ただコントローラから送られた値の取得はライブラリがやってくれますが、
それが実際マスコンのどの位置に相当するのか、どのボタンを押したのか、というのは自力で解析する必要がありました。
速度計算
内部の動作的にはあらかじめ決められた加速度と経過時間で速度を計算し、それをPWMのデューティ比に変換して出力を制御しています。
速度域毎の加速特性はニコニコ大百科にあったE231系のものを参考にさせてもらいました。
こんな感じの加速曲線になっています（実際は直線だけど・・・）
これはマスコンノッチが最大の時のグラフなのでノッチを下げれば加速度も落ちるようになっています。
カスタムPWM制御
低速時のトルク強化のためソフトウェアでPWMを細かく制御しています。
PWM周波数は20000Hzなのですが、PWM制御では周波数が高くなるほど低速域でのトルクが落ちるようです。
周波数を50Hzなど極端に下げればトルクは上がりますが、可聴音域に入るのでノイズがでてしまいます。
それを解消するためにいろいろなブログを漁ったりして、解決法を探りました。
最終的に行き着いた解決法は以下の記事で紹介されていたKATOのハイパーDXのパルスを真似することでした。
note.com
こちらの記事によればハイパーDXではパルスの幅が細かく変化しているようです。
通常のPWMパワーパックはデューティ比がつまみの位置に応じた値で一定になっています。
これを保持デューティ比と最低デューティ比の二つを設定して
保持デューティ比→減少→最低デューティ比→上昇→保持デューティ比→減少・・・
という動作を高速で繰り返すようにしました。
最低デューティ比を上げると平均のデューティ比が上がるので車両の速度が上がります。
詳しい動作と考察については別記事で解説しようと思います。
この動作のためには高速かつ一定間隔で常時デューティ比をいじる必要があります。
タイマー割り込みで制御してもよかったんですが、USBやプレステコントローラとの通信中に割り込み発生しても大丈夫なものかよくわからなかったのと、
ESP32はデュアルコアになっていてWiFiやBluetoothを使わなければ1コアしか使われないため、余っているコアで常にデューティ比を制御するようにしました。
結果としてうまくいっているようで超低速から走り出してくれます。
Switch用電車でGOコントローラー変換器の使い方
このページはArduinoを使ったSwitch用電車でGOコントローラー変換器の使い方を解説しているページです。
ここで紹介している変換器はPS用電車でGFOコントローラーをNintendo Switchの電車でGO はしろう山手線で使用できるようにする変換器です。
変換器の作り方はこちらの記事をご覧ください。
使い方
接続
変換器を使用するにはSwitch側でコントローラーのUSB接続を有効にする必要があります。
ホーム画面から「設定」→「コントローラーとセンサー」から「Proコントローラーの有線通信」を有効にしてください。一度有効にすれば次回からは不要です。
その後「コントローラーの持ち方/順番を変える」を開いてからマスコンを変換器に繋いだ状態でSwitchにUSBケーブルを接続してください。
認識に成功するとProコンの画像が出て使用できるようになります。
一度認識をさせると次回からは「コントローラーの持ち方/順番を変える」を開かなくても接続できるようです。
電車でGOでのコントローラー設定
電車でGO内の「オプション」→「コントローラー設定」から以下の２箇所を設定してください。ここを設定しないとマスコンが正しく動作しません。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 操作タイプ | スタンダード |
| 入力タイプ | ダイレクト |
キーマップ
キーマップは以下のようになっています。
| コントローラー・変換器のボタン | Switchの入力 |
|---|---|
| Cボタン | Aボタン |
| Bボタン | Bボタン |
| Aボタン | Yボタン |
| SELECTボタン | Xボタン |
| STARTボタン | +ボタン |
| スティック上下左右 | 十字ボタン |
| スティック押し込み | HOMEボタン |
| スティック長押し | スクリーンショット |
| Aボタン(Yボタン)押しながらスティック左 | Lボタン |
| Aボタン(Yボタン)押しながらスティック右 | Rボタン |
| マスコンを非常ブレーキに入れてSTART+SELECT | 103系モード有効 |
| マスコンを非常ブレーキ以外に入れてSTART+SELECT | 103系モード無効 |
運転について
ワンハンドルコントローラー、ツーハンドルコントローラーどちらも全車種を運転することができます。
ツーハンドルコントローラーではブレーキハンドルの入力が優先されます。
力行ハンドルがどの位置にあってもブレーキハンドルがB1以上に入っていればブレーキがかかります。
103系モードについて
103系のみマスコンが4段のため、モード切り替えで対応しています。
103系を運転するときは103系モードを有効(マスコン非常位置+START+SELECT)にし、それ以外では無効(マスコン非常位置以外+START+SELECT)にして使用してください。
103系モードではマスコン4以上は全て4として入力されます(非常ブレーキ除く)
表にすると以下の通りです。
| マスコン位置 | 入力 |
|---|---|
| 非常 | 非常 |
| B8 | B4 |
| B7 | B4 |
| B5 | B4 |
| B6 | B4 |
| B4 | B4 |
| B3 | B3 |
| B2 | B2 |
| B1 | B1 |
| 切 | 切 |
| P1 | P1 |
| P2 | P2 |
| P3 | P3 |
| P4 | P4 |
| P5 | P4 |
その他注意点
運転中以外ではマスコンを「切」位置にしておく
マスコン入力はアナログスティック入力に変換されるので運転中以外では上下左右に余計な入力が入ります。
電車でGOのゲーム内では画面遷移後はニュートラル位置に戻らないと次の入力を受け付けない仕様のようなので、あまり気になりませんが、特にホーム画面では邪魔になるので「切」位置にしておきましょう。
運転画面以外から非常ブレーキに入れたまま運転画面に移行するとB8になる
特に実害のあるものではありませんが、非常ブレーキに入れたまま運転画面に入ると非常ブレーキではなくB8になります。
これは上記の注意点と同じで画面遷移後は一度ボタンを離さないと次の入力を受け付けない、つまり運転画面外から「ZL」を押したまま入っても「ZLを離す」という操作がないと次の「ZL」の入力を受け付けないという電車でGOの仕様によるものです。
一度非常以外に入れれば以後正常に動作します。
Switch版電車でGOにPS用マスコンを繋ぐ変換器の作り方
ニンテンドーSwitch版の電車でGO はしろう山手線にPS用マスコンコントローラーをつなげる変換器の作り方の解説とプログラムの配布をしているページです。
半田付けなしで製作できます。ケースに入れないで使う場合は配線差し込みのみで組み立てできるのでかなり簡単です。
トップ画像の電車でGOコントローラーはハンドルをJR型ワンハンドルマスコン風のものに改造しています。
DMM .makeにて販売しているのでよかったらどうぞ。
どんなものを作れるの？
ニンテンドーSwitch版の電車でGO はしろう山手線にPS用マスコンコントローラーをつなげる変換器です。
ワンハンドル、ツーハンドル両対応です。
作成の大まかな手順は
- パーツ購入
- 変換器本体の組み立て
- 書き込みソフト等のDL、インストール、設定
- プログラム書き込み
となります。
順番に解説していきます
必要なもの
対応するコントローラー
対応しているのは以下の2種類のみです。
それ以外のPS用コントローラーは試していないので動くかはわかりません。
PS用ツーハンドルコントローラー
パーツ
| 名前 | 個数 | 価格(執筆時) | Amazon | 楽天 | Yahoo | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Arduino Leonardo(互換機) | 1 | 1200 | Amazon | 楽天 | Yahoo | |
| Arduino用ケース | 1 | 990 | Amazon | 楽天 | Yahoo | ケースはなくても作れます |
| アナログスティック基板 | 1 | 499 | Amazon | 3個入り Amazonで1個単位で売っているものは納期が数週間かかることがあるので注意 |
||
| PSコネクタ基板 | 1 | 1324 | 楽天 | |||
| ジャンパワイヤ | 1 | 633 | Amazon | |||
| 六角スペーサー | 1 | 560 | Amazon | 20個入り ケースに入れる場合必要 |
||
| M3ネジ 8mm | 2 | 20 | ホームセンターで購入 ケースに入れる場合必要 |
|||
| M3ネジ 5mm | 4 | 40 | ホームセンターで購入 ケースに入れる場合必要 |
|||
| ワッシャーM3用 | 8 | 40 | ホームセンターで購入 ケースに入れる場合必要 |
|||
| 合計(ケース無) | 3656円 | |||||
| 合計(ケース有) | 5266円 |
組立
ケース加工をする場合は動画を参考にしてください。
※動画準備中です。少々お待ちください。
ケースに入れないで使う場合は下の表に従って配線だけすれば組み立ては完了です。
Arduinoへプログラムの書き込み
この先Macの画面で解説していきますが、Windowsでも基本的に同じです。
ソフト類のDLとインストール
まず書き込みに必要なソフトと変換器の動作に必要なライブラリをインストールします。
基本的にダウンロードしてインストールすればいいだけですが、一部設定が必要なものがあるのでそこも解説します。
| 必要なソフト・ライブラリ | URL | 備考 |
| Arduino IDE | リンク | 書き込みソフト |
| NintendoSwitchControlLibrary | リンク | Switch操作のライブラリ |
| PSX Library | リンク | PSコントローラー読み取りライブラリ |
| DenGoConverter.ino | リンク | 変換器のプログラムファイル |
Arduino IDEのインストール
まずArduino IDEをインストールします。
これはArduinoにプログラムを書き込むためのソフトです。
以下のリンクからご自身の環境に合ったものをダウンロードしてインストールしてください
「Support the Arduino IDE」というページが出たら「Just Download」でダウンロードができます。
Arduinoを支援したい場合は「CONTRIBUTE & DOWNLOAD」から寄付できるみたいです。
ダウンロードしたらインストーラーを起動してインストールしてください。
NintendoSwitchControlLibraryのインストール
これはSwitchを操作する機能をまとめたライブラリです。
以下のリンクを開いて、右上の緑色の「↓Code」ボタンから「Download ZIP」を選択してダウンロードします。
https://github.com/lefmarna/NintendoSwitchControlLibrary
ダウンロードしたらArduino IDEの「スケッチ」→「ライブラリをインクルードから「.ZIP形式のライブラリをインストール」を選択します。
ファイル選択画面が開くので先ほどダウンロードしたZIPファイルを選択してインストールしてください。
これで完了です。
PSX Library
こちらも同じ方法でインストールします。
以下のリンクを開いて「Psx1.zip」を選択してダウンロードし、
Arduino IDEからZIP形式のインストールをしてください。
https://playground.arduino.cc/Main/PSXLibrary
ボードマネージャの設定
Arduinoにはいくつか種類があるのでArduino IDEからどのボードを使うのか設定をします。
Arduino IDEを起動しツール→ボード→Arduino AVR Boardsから「Arduino Leonardo」を選択してください
VID・PIDの変更
Switchにコントローラーをして認識してもらうためにはVID・PIDというものを変更しなければなりません。
難しい説明は端折りますが、Switch側で指定されてるVID・PID以外はコントローラーとして受け付けてくれないということです。
「boards.txt」というテキストファイルを編集するのですが、MacとWindowsでフォルダ構造が違うので置いてあるアドレスが違います
Macの場合FinderのArduino IDEのアイコンを右クリックして「パッケージの内容を表示」をクリックします。
そこから「Contents」→「Java」→「hardware」→「arduino」→「avr」の中にあります。
Windowsの場合Arduinoフォルダの1つ上の「Documents」フォルダの中に「ArduinoData」というフォルダがあり、
そこから「ArduinoData」→「packages」→「arduino」→「hardware」→「avr」の中にあります。
「boards.txt」を開いて
285行目 leonardo.vid.1=〜
286行目 leonardo.pid.1=〜
の「〜」の部分を変更して以下のようにする
leonardo.vid.1=0x0f0d
leonardo.pid.1=0x0092
さらに
311行目 leonardo.build.vid=〜
312行目 leonardo.build.pid=〜
の「〜」の部分を変更して以下のようにする
leonardo.build.vid=0x0f0d
leonardo.build.pid=0x0092
以上の4箇所を変更して完了です。
command+Fで検索した方が見つけやすいです(windowsならctrl+F)
書き込み
プログラムファイルは以下のリンクに置いてあるのでダウンロードしてください。
先ほどのライブラリと同様にCodeボタンからZIPでダウンロードできます。
github.com
変換器をUSBケーブルでPCに繋ぎ、
ダウンロードしたフォルダ内の「DenGoConverter.ino」を開いて「マイコンボードへ書き込む」ボタンを押して書き込んでください。
これで完成です。
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