IV-22 VFD Module | 熒光管顯示模塊介紹【硬件篇】

ID:104287 · 發(fā)表于 2016-1-31 17:06

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熒光數(shù)碼管|VFD tube，最早于1967年誕生在日本，屬于真空電子時代的顯示器件的典型代表之一。
同輝光數(shù)碼管(Nixie tube)一樣，她也屬于瀕臨絕跡的古老電子器件，也是電子技術(shù)發(fā)展的歷史見證之一，上世紀(jì)末便淡出人們的視野；
但現(xiàn)如今，假如你真的見到那清澈透亮的淡綠色熒光，相信你一定會感嘆當(dāng)年的智慧竟能將冰冷的真空管賦予如此有生命力的色彩…
帶著與輝光管同樣的想法，為了賦予她新的生命，使古老的器件與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，這次依然把她們做成了一個個獨立的顯示模塊，讓喜愛她的朋友，把更多的精力和時間投入到創(chuàng)意和制作當(dāng)中，而不必去煩惱如何產(chǎn)生高壓、如何整理邏輯驅(qū)動、如何焊接和制作……同樣，無需硬件基礎(chǔ)，只需要一個最簡單的單片機(jī)系統(tǒng)，或者Arduino系統(tǒng)板，4條IO口線，即可完成對幾十個熒光管的顯示控制，而且每個模塊還帶有一個RGB全彩LED可做背光顯示。
首先還是要感謝aGuegu在第一時間協(xié)助測試熒光管顯示模塊，并開發(fā)了Arduino類庫。
熒光顯示(VFD | Vacuum Fluorescent Display)技術(shù) 在現(xiàn)如今仍舊大量應(yīng)用，只不過已經(jīng)不是這種真空電子管的表現(xiàn)形式，現(xiàn)代的VFD顯示屏頻頻出現(xiàn)在高端的音響設(shè)備、智能終端以及高檔儀器儀表上。熒光管內(nèi)部有燈絲，在低電壓作用下會向外射出電子，同時熒光管內(nèi)部有一個柵極，電子在柵極的吸引下會加速射向陽極，當(dāng)電子撞擊到陽極上覆蓋的熒光粉后，即發(fā)出淡綠色的可見光；相對輝光管來說，她的驅(qū)動電壓更低，更安全，而且壽命和輝光管相比大大延長，所以，在熒光管誕生之后，輝光管便漸漸讓位與她。
這次的熒光管顯示模塊采用的是前蘇聯(lián)產(chǎn)的IV-22（ИВ-22）型熒光數(shù)碼管，類似長方體的玻璃管身，長32mm，寬22mm，頂部顯示方式，插拔式12腳封裝。這些熒光數(shù)碼管在上世紀(jì)冷戰(zhàn)時期曾經(jīng)被前蘇聯(lián)大量制造，現(xiàn)如今都靜靜的躺在某些倉庫的冰冷角落，但她的材料特性決定了她的保質(zhì)期將是無限的長。
IV-22熒光數(shù)碼管具有以下特點：
1、屬于真空器件。內(nèi)部為真空，不像輝光管內(nèi)部有惰性氣體。
2、較低的驅(qū)動電壓。IV-22熒光管需要兩組工作電壓，一是燈絲電壓，1v-1.3v之間，交直流均可；二是陽極和柵極電壓，直流22v-30v左右，相對于輝光管來講，驅(qū)動電壓更低，更安全；并且工作電流很小，燈絲電流100mA左右，陽極電流在4-10mA之間。
3、采用7段顯示排列�？扇我饨M合為0-9的數(shù)字，或者簡單的英文字母。
4、柔和的淡綠色。熒光粉固有的色彩，在陽光下依然能夠清晰可變，清澈透亮但不刺眼。
還是先看一下實物圖片，然后再做詳細(xì)介紹吧：

同QS30-1輝光管顯示模塊一樣，每一個IV-22熒光管顯示模塊都能夠獨立工作，采用非常簡單的方式進(jìn)行級聯(lián)和組合，每一個模塊都具有輸入和輸出接口，組合起來以后可以形成一個整體，而且只需要4個IO即可完成對每一個顯示模塊的顯示內(nèi)容以及RGB LED背景燈的顏色控制。
所有這些設(shè)計思想，只有一個目的：讓每一個喜歡熒光管的朋友，都能按照自己的想法和創(chuàng)意組合出滿意的作品和應(yīng)用，而無需關(guān)心熒光管本身復(fù)雜的電源系統(tǒng)和驅(qū)動模塊。
IV-22熒光管顯示模塊外形尺寸：
長50mm 寬36mm；
底座厚度16mm 底部到輝光管頂部高度45mm。
IV-22熒光管顯示模塊有以下特點：
1、采用前蘇聯(lián)產(chǎn)的IV-22（ИВ-22）型熒光數(shù)碼管作為顯示器件（管身長32mm，寬22mm，顯示內(nèi)容為數(shù)字0-9，顯示顏色為淡綠色）。
2、采用12根鍍金管腳插針，插拔方便可靠。
3、插拔式無限級聯(lián)設(shè)計，無需復(fù)雜的接線方式。
4、板載RGB全彩LED，每個模塊可獨立控制LED發(fā)光顏色。
5、提供非常簡單的通訊接口，僅需要4個IO，可連接任意一款單片機(jī)最小系統(tǒng)版或Arduino主板。
6、5V直流供電，每個模塊的工作電流小于250mA。
7、提供DC5V輸出，可為單片機(jī)主板或Arduino主板直接供電，無需另配電源。
8、雙層雙面鍍金電路板，盡顯藝術(shù)氣息。
9、采用激光切割進(jìn)口亞克力材料制作上下面板，搭配不銹鋼內(nèi)六角螺絲。
10、全部采用SMT Robot進(jìn)行貼片焊接和加工，工藝精良。
有了QS30-1輝光管顯示模塊的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合IV-22熒光管的驅(qū)動電路特點，這次僅使用了一塊PCB即滿足以上所有功能和特點，并且PCB尺寸也減小到50mm x 36mm。
下面是設(shè)計階段PCB電路板的3D模型：

每一個器件的選型，無論是參數(shù)值還是封裝尺寸，均經(jīng)過反復(fù)的研究和確定，PCB的每一寸空間均得到充分的利用，在保證高效率的完成功能要求之外，也不乏保持美觀工整的器件布局。
并且，電路板都采用拼版設(shè)計，SMT Roboot自動化貼片焊接，欣賞一下考究的PCB板吧：

從電路板上不難看出，元器件密度較大，對布線水平有一定考驗，并且在有限的PCB空間內(nèi)，所有器件均為單面布局。
從電路設(shè)計上來講，該模塊由以下部分組成：
一、高效率DC-DC升壓模塊
IV-22熒光數(shù)碼管的柵極和陽極需要直流22v-30v的高壓，經(jīng)過反復(fù)試驗，柵極和陽極電壓為26v的時候顯示狀態(tài)極佳，但模塊本身的輸入電壓為直流5v，所以為了使熒光管正常工作，必不可少的需要一組5v-26v的DC-DC升壓電路模塊。
該模塊依然由經(jīng)典的MC34063A及外圍器件組成，能夠提供高效率的升壓轉(zhuǎn)換，而且無需外擴(kuò)MOS管，整個模塊在工作的時候幾乎不發(fā)熱。
二、燈絲供電的LDO電源模塊
IV-22熒光數(shù)碼管內(nèi)部有兩根燈絲，這兩根燈絲需要1v-1.3v左右的電壓來驅(qū)動，這里取了典型值1.2v，由于電壓低，電流不大，這里只采用了一顆LDO線性穩(wěn)壓器件來為燈絲提供1.2v的工作電壓。
該模塊由ASM1117-1.2及簡單的外圍器件組成。
三、熒光管級聯(lián)驅(qū)動模塊
由于該模塊采用了方便的級聯(lián)模式設(shè)計，所以必須具備可級聯(lián)擴(kuò)展的驅(qū)動電路來做熒光管、RGB LED的級聯(lián)控制。
這里依舊采用了經(jīng)典的74HC595作為數(shù)據(jù)層的可級聯(lián)擴(kuò)展的驅(qū)動器件，并且在模塊兩側(cè)引出了串入串出接口，可方便的插拔進(jìn)行無限擴(kuò)展。
四、RGB LED顯示器件
在熒光管底部，該模塊還安裝了一顆5050大小規(guī)格的RGB全彩LED器件，并且可以通過級聯(lián)通訊控制，調(diào)節(jié)為任意色彩。
五、保護(hù)電路
每個模塊都有一套獨立的電源系統(tǒng)和邏輯控制單元，互相不會干擾，但輸入電源卻是共享的。為了防止某個模塊的電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致其他模塊無法正常工作，每一個模塊都具備了電源保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)過流、電源接反等現(xiàn)象，保護(hù)電路會保護(hù)板上其他器件不受損壞，同時不影響其他模塊的正常工作。
來看一下系統(tǒng)連接圖：

整個系統(tǒng)集成在一塊50mm x 36mm的雙面PCB板上，PCB板與我的其他作品風(fēng)格一樣：深藍(lán)色的PCB板、沉金工藝……
并且采用了單面布局設(shè)計，級聯(lián)采用了單排8pin的排針和排母，對接相當(dāng)方便。

在固定熒光管的設(shè)計上，沒有選用IV-22專用的管座，而是選用了鍍金的管腳針。
IV-22熒光管的管腳直徑為1mm，鍍金的管腳插針能夠完美的配合來固定熒光管，節(jié)省空間的同時保證連接可靠。
在鍍金管腳插針的中心，是一顆5050封裝的RGB LED，為熒光管提供各種顏色的背景光。

電路板底面沒有焊接任何器件，并且所有的焊點都經(jīng)過了兩次焊接，保證焊點圓滑光亮、美觀大方。
同時也在級聯(lián)輸入接口和輸出接口的旁邊用鍍金字符標(biāo)識了每一個端口的功能。
從接口上大家可以看到，無論是輸入還是輸出端口，均有兩個+5V電源和兩個GND，這是為了能夠使外接5V電源給該模塊供電的同時，也能夠有接口將5V電源輸出給單片機(jī)系統(tǒng)板或者Arduino系統(tǒng)板使用。
電路板正面所有的元器件高度均低于9mm，所以四個六角銅柱選用的是9mm長度的：

由于只用了一塊PCB板，從上面看下去，能夠直接看到所有的電子元器件；雖然只有1片PCB板，但頂部和底部依然都采用了亞克力板作為上下面板，將整個電路部分保護(hù)起來。
進(jìn)口的3mm透明亞克力板加上激光切割工藝，同樣無論從效果上還是精度上，都與熒光管顯示模塊完美搭配。

固定上下面板的螺絲依然采用了M3的不銹鋼內(nèi)六角螺絲。
在底板與PCB板之間，也依然是1mm厚度的尼龍墊片作支撐。
下面看一下完整的IV-22熒光管模塊各角度圖片：

在熒光管的左側(cè)，大家可以留意到，有一片銀黑色的東西，其實這就是位于管身內(nèi)部的消氣劑。
當(dāng)熒光管內(nèi)部保持為真空狀態(tài)時，消氣劑的顏色即為目前所看到的銀黑色；但一旦有空氣進(jìn)入，或者熒光管漏氣、破裂，消氣劑將會立即變?yōu)榘咨�，表明�?dāng)前的這顆熒光管已經(jīng)不是真空狀態(tài)，無法正常使用了，這也是判斷熒光管是否損壞的最直接的標(biāo)準(zhǔn)。
級聯(lián)過程非常簡單，只需要將熒光管顯示模塊的輸入和輸出端口一一對應(yīng)的插在一起即可。
所有的控制IO，還有電源，均通過輸入和輸出接口連接在一起。
看一下輸入和輸出連接接口，輸入接口采用的是單排2.54mm間距的排針。
輸出接口采用的是單排2.54mm間距的排母：

下面是級聯(lián)插在一起以后的效果：

該模塊采用的輸入電壓為直流5V，為了精確測量每個模塊的功耗，在這里我才用了一個C8051F340單片機(jī)的最小系統(tǒng)板。
通過這個單片機(jī)系統(tǒng)版，我打開了熒光管顯示模塊的背光、數(shù)字顯示，單個模塊和單片機(jī)控制板的總耗電電流是280mA。
而10個模塊和單片機(jī)控制板連接在一起的工作電流為2.45A。
假設(shè)每個模塊耗電電流為x，單片機(jī)控制板的耗電電流為y，通過兩個等式：
x + y = 280
10x + y = 2450
——————–
得出每個模塊的工作電流在241mA左右。
請看下圖：

把N多個熒光管顯示模塊級聯(lián)之后，我們可以通過程序來對每一個模塊所顯示的數(shù)字、背景LED的顏色進(jìn)行獨立控制：
【數(shù)字顯示】：支持關(guān)閉或者顯示數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；
【字符顯示】：支持簡單的數(shù)字顯示，例如a、b、c、d、e、f 等；
【背景燈顯示】：支持關(guān)閉或者顯示白色、紫色、青色、黃色、藍(lán)色、綠色、紅色；
同時，還可以通過對OE端口的PWM控制，實現(xiàn)模塊的數(shù)字和RGB LED背景燈光的亮度控制。
有了以上這些功能和顯示方式，我們可以使用她們實現(xiàn)我們幾乎所有有關(guān)數(shù)字顯示類型的應(yīng)用，例如：時鐘、計算器、計數(shù)器、計時器等等……
并且如果有興趣的話，還可以實現(xiàn)類似我的IV-11水晶城堡電子時鐘上所實現(xiàn)的淡入淡出特效，相關(guān)視頻請查看IV-11水晶城堡熒光電子時鐘的視頻帖。
下面請欣賞一系列美圖吧~~~
下圖右邊是專門為熒光管顯示模塊所設(shè)計的轉(zhuǎn)接板，后續(xù)會有專門的博文對其進(jìn)行介紹。
并且由圖中的連接線可以看出來，除了通訊用的4個端口之外，還從模塊引出了一對紅黑線給單片機(jī)系統(tǒng)板輕松供電：

非常喜歡IV-22熒光管顯示模塊在夜晚的顯示效果，由于RGB背景燈光被亞克力面板所折射，使得每個熒光管顯示模塊均被色彩所渲染，耀眼奪目。
尤其是我們使用程序來控制RGB背景色彩進(jìn)行不停變換的時候，更能帶人進(jìn)入夢幻的色彩斑斕的意境……
并且從上圖看到，這些拍照用的熒光管都是上世紀(jì)91年生產(chǎn)的，也就是前蘇聯(lián)被解體的那一年……
雖然沒有輝光管的年代久遠(yuǎn)，但足以讓人多出一份敬畏…

亦許當(dāng)年熒光管的創(chuàng)造者并未預(yù)見到幾十年之后熒光管將會有如此色彩斑斕的應(yīng)用……
把她們從冰冷的軍用器件倉庫角落挖掘出來，也代表著賦予了她們新的生命……
而最讓人欣慰的無疑還是，有了這些熒光管顯示模塊，我們可以自由的放飛自己的創(chuàng)意，并且實現(xiàn)它，不用再為如何點亮和驅(qū)動熒光管望而卻步。
IV-22熒光管顯示模塊支持任何類型的單片機(jī)控制板，只需要4個IO端口，即可實現(xiàn)完全控制；
該模塊的Datasheet下載地址請移步：
IV-22VFDModuleUserManual_CH
IV-22VFDModuleUserManual_EN
同時，該模塊已經(jīng)完美應(yīng)用于Arduino系統(tǒng)，由aGuegu制作了完美的VFD Module驅(qū)動類庫，并且完全開源。
詳情請見Library for IV-22 VDF Tube module for Arduino
特別感謝：aGuegu
資源下載鏈接：https://github.com/aguegu/nixie-tube/tree/master/VFDTube
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