地板下的 N Gauge

重新裝潢時, 我在書房的地板下留了一塊大概一米見方的空間, 準備放我的火車模型. 但自從前年十月完工到現在, 雖然我把軌道和車輛放進去, 但始終沒讓它跑起來. 其中最大的問題是: 我原來想把它弄得很複雜.

在我原來的想法裡, 我想要讓很多輛火車可以一起擺到模型軌道上去. 同一個系統裡要有多輛動車又要能分開控制, 就得用 DCC.

從 DCC 說起

DCC 是 digital command control 的義思, 它是模型火車的數位控制標準. 因為模型火車用軌道供電, 在不用 RF 或 IR 等其它無線通訊的方法下, 能用來控制火車的方法就只剩電源載波.

DCC 是一個很典型的 “Simple but efficient” 系統, 它的 PHY 定義得非常簡潔: 對稱的交流方波, 週期為 58us 者為 1, 週期為 100us 者為 0.

因為它是對稱的交流波型, 所以沒有 coding 時 run lenght 長度限制的問題, 而且訊號的本身也同時是電力的來源. 動車的控制系統只要利用橋式整流再加上夠大的濾波電容, 就能拿到足以推動模型火車的電力.

DCC 的協定本身也很簡潔. 所有的指令在傳送時以四個 bytes 為一組, 包含了一個 byte 的 preamble, 一個 byte 的定址資訊, 一個 byte 的指令, 和一個 byte 的錯誤檢查碼.

但指令的部份可就博大精深了, 除了最簡單的前進後退與速度外, 還有指令可以控制動車上的燈光, 音效等功能, 以及 broadcast packet 可以叫所有的車子全部立正站好. 除了列車行進間的控制指令外, DCC 也有類似 Windows 的 registry 概念, 稱之為 CV (Configuration Variables). CV 是每輛車自己保有的參數, 諸如定址編號, 加減速特性, 速度限制, 甚至 EMF 和 PWM 的參數都可以用 CV 來設定. 因為有 CV, 所以 DCC 的實作免不了要有 flash memory 來保存這些資料.

DCC 因為是來自美國的標準, 所以在美系的火車模型界比較盛行, 日本的火車迷似乎沒這麼熱衷 DCC. 一個主要的原因是美國什麼都大, 他們玩的火車模型多半是 1:87 的 H0 gauge, 軌距 16.5mm. 相對而言, 日本人就比較偏好較小的 1:148 N gauge. N gauge 的軌距只有 9mm, 不到一公分, 車體的寬度也不會比軌距要寬多少.

從照片中的一元硬幣就可以看出來 N gauge 的火車有多小, 旁邊那個則是標準 300mil 寬的 DIP IC 座. 美國的火車迷有做各式各樣的 DCC 控制器可以用來安裝在  H0 gauge 的火車上, 但 H0 的車體遠比 N 的要大, 設計給 H0 的電路板幾乎不可能裝在 N gauge 的車體上, 而日本又不太容易買到 N gauge 可用的 DCC 電路模組, 唯一的方法就只有自製.

火車模型是阿宅的世界, 阿宅又特愛 DIY, 因此現成的 open source DCC 軟體倒是不少, 不過多半都是用 Microchip 的 PIC 寫的, 反而 8051 的很少見. 一般的架構是一顆 MCU 配上簡單的全橋式馬達驅動電路, 再加上一些週邊的電源電路就可以了. 做這樣的電路對我不是什麼難事, 但我就是沒時間弄啊…

所以這個念頭在我心中一放就放了一年多, 而我的火車們則靜靜地躺在玻璃地板下, 未曾奔馳過.

從簡單的開始吧

前幾天在大掃除時, 我突然想通了. 不要管什麼 DCC 不 DCC 的, 先讓火車會跑比較實際吧.

這麼一來, 事情就變得簡單多了. 當軌道上只有一輛車要跑時, 只要直接供電到軌道上, 車子再經由車輪向軌道取電, 驅動馬達, 車子就會跑啦. 車速和方向則可以藉由供電的大小和極性來控制, 多簡單啊.

這整件事裡最難的是, 整套系統是埋在透明玻璃地板下的, 如果不拉線出來, 要怎麼控制它呢 ? 至少要有個電源開關吧. 我本來打算用 X.10 的系統來遙控, 但 X.10 在三相 110V 的電力系統上表現不佳, 而且家裡的 X.10 轉發器又壞得差不多了, 所以我決定去買現成的電源遙控開關來改裝.

市面上買得到這種可以裝進標準開關面板的紅外線遙控開關, 最多可以有四個一起使用, 我想先用一組控制火車的行進, 一組控制燈光.

於是我在心中盤算了一下該怎麼做怎麼接, 趁著去光華買電源線之際順便買齊了所需的材料, 準備動工.

我在地板下面有留 110V 的出線口, 因此電源不成問題. 去開關箱上找到對應的迴路斷電後就可以開始施工. 當初裝潢時, 我跟某家 Y 拍上的燈具行買了一組 1W * 4 的 LED 燈, 買回來之後才發現它根本是個騙局, 四棵 1W 的食人魚用 350mA 驅動時連一顆 MR16 鹵素燈都比不上, 所以這組燈就被我一直冰著沒有拿出來用. 藉這個機會把它拿出來裝上好了.

我用了個盒子把開關面板裝起來, 配線都藏在裡面, 而 110V 的線頭則直接走進盒子裡.

至於電源, 我隨手找了一個 9V 200mA 的變壓器, 把它接到軌道的供電點上. N gauge 的標準供電應該是 12V, 但我試了一下用 12V 供電的話火車會跑太快, 一來感覺不優雅, 二來也會增加在彎道上出軌的機會, 因此我決定稍降一下電壓用 9V 來跑.

再把佈景稍微調一下.

最後完工的樣子是這樣. 停在岔軌上的是沒有裝動車頭的 Narita Express. 等我有空把 DCC 弄好後, 再讓它跑起來.

現役的動車頭是紅色的名古屋鐵道 3000 型 Q 版 B-train shorty, 拉著中部國際空港特急的白藍相間車箱, 一整個混搭風…