Arduinoで作る模型鉄道DCCコマンドステーション 〜Bluetooth制御・無料アプリ付き〜

プロジェクト概要

市販のDCCコマンドステーションは高価ですが、Arduino Pro Mini＋LMD18200 Hブリッジ＋HC-06 Bluetoothモジュールで、スマホアプリから操作できる低コスト・高機能なDCCシステムを自作できます。最大の特徴は「DCCパケット生成の重い処理をスマホ側（Androidアプリ）で行い、Arduinoはクロック信号生成とHブリッジ駆動に専念」するアーキテクチャです。

システムアーキテクチャ

• スマホアプリ（LocoMotive/LocoMotive DCC）：NMRA DCCパケットを組み立て、Bluetooth経由で送信
• HC-06 Bluetoothモジュール：シリアル通信でアプリとArduinoを接続（スレーブ専用）
• Arduino Pro Mini：受信パケットをデコード→NMRA規格のプリアンブル・セパレータ・データビットをタイマー割り込みで精密生成→LMD18200へ出力
• LMD18200 Hブリッジ: 3Aピーク、2A連続。DCC信号をレール電圧（12〜20V）に増幅

必要な部品

部品	数量	備考
Arduino Pro Mini 328 5V/16MHz	1	クロック精度重視で16MHz版
LMD18200T Hブリッジ	1	TO-220パッケージ、ヒートシンク必須
HC-06 Bluetoothモジュール	1	スレーブ専用、Rx↔Rx, Tx↔Tx直結
7805 5Vレギュレーター	1	レール電圧からArduino用5V生成
3.6V 0.5W ツェナーダイオード	1	HC-06電圧レベルシフト用
0.1Ω 2W 金属皮膜抵抗	1	電流検知用（LMD18200 Current Sense）
コンデンサ各種	-	220µF/16V, 10µF/16V, 0.1µF×3
抵抗各種	-	10kΩ×2, 4.7kΩ×1
スクリューターミナル・ピンヘッダー等	-	基板実装用
PCB（eBay等で入手可）	1	専用設計基板推奨

回路設計のポイント

電源系

• レール給電電圧（12〜20V DC）を7805で5V降圧→Arduino/HC-06電源
• LMD18200のVSピンに直接レール電圧供給
• 0.1Ω検知抵抗で負荷電流監視（A0でADC、内部1.1V基準使用）

Bluetooth接続

HC-06は3.3Vロジックだが5Vトレラント。ただしArduino Tx(5V)→HC-06 Rxには分圧推奨。本設計ではツェナーダイオード(3.6V)でクランプ。

アンテナ延長（通信距離改善）

HC-06基板上のチップアンテナにλ/4（2.4GHzで約31.2mm）の単線銅線をハンダ付けし、熱収縮チューブで絶縁。通信安定性が大幅向上。

過電流保護

LMD18200のCurrent Sense出力（0.1Ω抵抗両端電圧）をA0で監視。2A超過でArduino D13からBrakeピンにHIGH出力し、Hブリッジ出力を強制遮断。電流値は毎秒Bluetoothでアプリへ通知。

DCCパケット生成とタイミング制御

NMRA DCC規格の要点

• プリアンブル：14ビット以上の「1」（アイドル時16ビット、CV書込時24ビット）
• セパレータ：単一の「0」
• データバイト：8ビット＋「0」セパレータ
• 最終バイト後：XORチェックバイト＋「1」セパレータ→プリアンブルへ
• ビット「1」：58µs HIGH + 58µs LOW（半周期58µs）
• ビット「0」：116µs HIGH + 116µs LOW（半周期116µs）

Timer2割り込みによる精密波形生成

// Timer2設定：16MHz/8分周 = 2MHz (0.5µs/count)
#define TIMER_SHORT 0x8D  // 141count = 70.5µs ≒ 58µs (補正込み)
#define TIMER_LONG  0x1B  // 27count  = 13.5µs → 実装上は半周期切替で対応

ISR(TIMER2_OVF_vect) {
  // 毎回割り込みで出力トグル
  // フラグに応じて次回タイマー値をSHORT/LONG切替
  // ステートマシン：PREAMBLE → SEPARATOR → SENDBYTE × N
}

ステートマシンでプリアンブル→セパレータ→データバイト送信を管理。メッセージキュー（アイドル、速度、機能、CV読書き）をラウンドロビンで送出。

Androidアプリ：LocoMotive / LocoMotive DCC

無料版（LocoMotive）

• Google Play Storeで無料ダウンロード
• 基本機能：1〜20両制御、速度バー、方向、ライト(F0)、ファンクションF1〜F8
• ポイント/アクセサリー制御（最大8組）
• 車両名・機能名カスタマイズ、最高速度プリセット
• CV1（アドレス）書き込み

有料版（LocoMotive DCC、約5ポンド）

• CV1〜255 の読み書きフルサポート
• 最大28機能、モーメンタリ/トグル切替、表示/非表示設定
• 最大4両同時速度バー表示
• アクセサリーアドレス自由追加

アプリからの送信データ形式

テキストベースのカンマ区切り、改行終端：

• 速度指令（4バイト）：DD,3,63,12,48, → Loco3, 128速度ステップ, 速度値, XOR
• 機能指令（3バイト）：DD,1,129,128, → Loco1, F1 ON, XOR
• CV読書き・緊急停止・電流値要求等も専用プレフィックスで送信

Arduinoスケッチの核心部分

メインループ（受信・ディスパッチ）

void loop() {
  if (bluetooth.available()) {
    inString = bluetooth.readStringUntil('\n');
  }
  
  if (inString.startsWith("D")) { string(); }      // DCCパケット受信
  else if (inString.startsWith("C")) { digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(13,LOW); }  // 過電流復帰
  else if (inString.startsWith("G")) { current(); bluetooth.println(C); }  // 電流値要求
  else if (inString.startsWith("A")) { get_cv_data(); cv1_prog(); }  // CV1書込
  else if (inString.startsWith("get")) { get_cv_num(); cv_read(); }   // CV読取
  else if (inString.startsWith("add")) { get_cv_new_val(); repeat_cv_write(); }  // CV書込
  else if (inString.startsWith("V")) { bluetooth.print("CV1 updated"); }  // 完了通知
  else if (inString.startsWith("E")) { digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(13,HIGH); }  // 非常停止
  
  inString = "";
}

CV読み取り（レールコム/ACK検出）

NMRA S-9.2.3準拠。ビット操作モードでビットごとに検証パケットを送信し、デコーダーからのACK（負荷電流変化≒50mA以上）を電流検知抵抗で検出。8ビット分繰り返してCV値を再構成。

CV書き込み（検証付き）

書き込みパケット送信→検証パケット(bit=1/0両方)送信→ACK検出で成功判定。失敗時はリトライ。完了時アプリへ結果通知。

実装のコツとトラブルシューティング

症状	原因・対策
機関車が動かない	レール電圧確認（12V以上）、デコーダーアドレス一致確認、LMD18200出力確認
Bluetoothすぐ切れる	アンテナ延長未実施、電源ノイズ（7805近傍に0.1µF追加）、HC-06初期化不良
過電流すぐ発生	レールショート確認、検知抵抗値確認(0.1Ω)、閾値調整(2000mA→必要に応じ変更)
CV読み書き失敗	プログラミングトラック分離未実施、デコーダー非対応、ACK検知閾値(Cs)調整
速度不安定	プリアンブル長不足、Timer2割り込み遅延、他の割り込み競合

コスト内訳（概算）

• Arduino Pro Mini：約300円
• LMD18200T：約800円
• HC-06：約400円
• PCB（eBay）：約500円
• その他部品：約500円
• 合計：約2,500円（市販DCCシステムの1/10〜1/20）

まとめ

「重い処理はスマホ、リアルタイム波形生成はArduino」という役割分担により、少ない部品点数でフル機能DCCシステムを実現。オープンソースのアプリとスケッチで、CV読み書き・複数機関車制御・アクセサリー制御までカバー。模型鉄道愛好家のエントリーシステムとして、またDCCプロトコル学習教材として最適です。