Outras respostas forneceram excelentes contribuições para sua exigência; Minha resposta se concentra puramente na detecção de proximidade (e presença) de trens-modelo, sem identificação, nas escalas pelas quais me interesso, nas minúsculas escalas N e T.
Tendo em mente sua necessidade de simplicidade de software, uma combinação de transmissor / sensor de infravermelho picado será mais fácil. Sua menção aos dispositivos TSOP indica que você já está avaliando esse caminho. Considere, em vez disso, o TSSP4P38, projetado especificamente para detecção de proximidade usando IR cortado de 38 KHz:
Afirmando o que já pode ser óbvio para você: A detecção de distância através do tempo de voo das ondas eletromagnéticas (IR, radar etc.) é impraticável para seus propósitos: Dada a velocidade da luz, é necessária uma resolução em femtossegundos ou menos para 0 a 10 distâncias-alvo em centímetros com as quais você provavelmente está trabalhando (escala 1: 160 N). Nos caminhos de trânsito do "mundo real" mencionados em um comentário, as distâncias podem ser maiores, especulo.
Um mecanismo de sensor reflexivo de IR usado em ferrovias modelo normalmente envolve, em vez disso, a intensidade do sinal de IR refletido, o que aumentaria por lei de quadrado inverso com a abordagem da locomotiva.
Seu dispositivo precisaria ter um LED de IR como o TSAL6200 e o TSSP4P38, alojado em algo como o diagrama na página 5 da folha de dados do TSSP. A combinação seria montada entre laços em sua pista, um voltado para cada lado. Se você montá-lo baixo o suficiente e apontando quase paralelo às faixas, as reflexões externas dos objetos serão minimizadas, as faixas funcionando como pisca-piscas.
A saída do TSSP é um pulso de duração no nível lógico, proporcional ao IR refletido. À medida que uma locomotiva se aproxima, pulsos sucessivos ficam mais longos, de modo que leituras de pelo menos 2 pulsos consecutivos, de preferência vários mais, fornecerão um conjunto de durações de pulso e, assim, uma indicação de velocidade. A partir da folha de dados:
A largura do pulso de saída do TSSP4P38 tem uma relação quase linear com a distância do emissor ou a distância de um objeto refletido. O TSSP4P38 é otimizado para suprimir quase todos os pulsos espúrios das lâmpadas fluorescentes que economizam energia.
Se você permanecer com os requisitos de precisão praticáveis para o seu dispositivo, é possível "rápido" versus "lento", "aproximando-se" versus "retroceder" e, é claro, a presença de uma locomotiva dentro do alcance do sensor.
Você terá que basear o sistema para dar conta de reflexos estáticos, por exemplo, do cenário. Além disso, a calibração da velocidade real versus comprimentos de pulso consecutivos fornecerá os mapeamentos de faixa "rápida" / "lenta".
A duração do pulso pode ser medida usando uma entrada de timer / contador no seu microcontrolador de sua escolha. Existem vários exemplos na Web para fazer isso no Arduino, mas como você mencionou o uso do Stellaris Launchpad, algumas pesquisas podem ser necessárias.
Esta é uma visão geral de alto nível de uma solução, não hesite em perguntar se aspectos específicos precisam de esclarecimentos. Em suposição, dado o seu histórico declarado, este não será um projeto noturno, mas é possível em uma temporada de férias. Alguns dos produtos ferroviários prontos para o modelo que você mencionou usam esse mecanismo.
Para uma discussão mais geral sobre detecção de distância, observe esta resposta de uma pergunta anterior.