为Arduino设计的IV-11通用荧光数码管模块

IV-11通用荧光数码管模块
IV-11通用荧光数码管模块

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作者:张锋 (zjjszhangf@gmail.com)

本制作的特点

 

  1、 使用通用型电路设计,将电源供应与逻辑驱动部分分离成上下两块电路板,可在不更换底逻辑电路底板的前提下,适配多种不同的荧光数码管显示模块,具备极强的通用性;

 

  2、 使用极高效的微型驱动电路,生成驱动VFD管所需的灯丝电压与高压,完全符合VFD屏驱动规范,电路尺寸小,转换效率高,显示效果优良;

 

  3、 全板采用微型贴片零件制作,整机PCB只有3.5cm*3.5cm,板上驱动电路部分最高的零件高度仅为2.0mm,具备超薄型优势;除接插件外,其余全部零件都藏于模块中,整体模块外观简洁;

 

  4、 模块设计使用无单片机驱动方案,无需程序写入器等设备,用户自备Arduino或其他普通单片机即可驱动,通用性强。

 

  5、 制作容易,无需特殊调试,仅用一只普通万用表测量相关电压即可,适合初级电子爱好者自制;

 

  6、 公开源码的驱动程序,使用纯C语言进行编写,可在Arduino平台上使用,也可很方便地移植到其他单片机平台上使用;

 

  7、 整个模块自主保持显示状态,彩色LED部分自主支持真彩色灰度显示,可以出显示出RGB24位真彩色,显示色彩丰富,且无需单片机主动进行PWM扫描,用户程序仅需将所需显示的数据送入模块即可,节约大量单片机资源;

 

  8、 整体所有接口引线全部通过插针引出,可根据实际需要进行多极极联结使用,每级输出的数据信号都经过板上电路放大后输出,确保了多极极联信号的稳定传输,无论极联多少模块,实际单片机的接口引线最少仅需3根,节约单片机I/O口资源;

 

  9、 专门设计的亚克力外壳,不仅美化作品的外观,而且使用隐藏式的左右级联亚克力板配合螺丝组合,可以实现任意数量的模块连接,无需使用其他连接辅助板;

 

 

设计思路简介

 

 

  本制作的设计思路主要是分析了常见的一些VFD显示管如:IV-11、YS9-3、YS9-4、YS30-1、YS27-3等的技术参数后,发现这些管子的都具备一些共同的特性,通过分析和利用这些特性,完全可以设计出通用的驱动电路模块。

 

  首先,大部分的VFD显示管的尺寸都比较小,灯丝电压也不高,一般都在2V以下,由于灯丝电压低,灯丝两端的电压压降的差异所导致的与高压之间的电压差也比较低,大部分管子的灯丝驱动部分都可以自由选择使用交流或直流电进行驱动而不会出现显示亮度差异的问题。同时个别尺寸较大的管子如IV-11显示管,因管子内灯丝斜拉补偿的原因,只能使用直流电驱动,如果使用交流驱动则会导致管子显示面上下亮度出现明显差异。综合以上技术信息,可以确定通用的灯丝驱动部分可选择使用直流电进行驱动。

 

  其次是高压部分,驱动这些管子的高压部分的电压范围大致都在20V~30V之间,如果是正高压驱动,这样的高压在使用5V为主供电的电路中,使用一个简单的Boost DC/DC升压电路即可很容易地生成,这个部分电路比较简单,现成的芯片也很好买,成本也低。

 

  就笔段数量上来看,通常的8字VFD显示管的主显示笔段为7段,部分管子在显示区增加了右侧的[-]与[.]号,总笔段增加到了9段,除非是特殊的显示管(如米字管等),大部分的8字显示管的笔段驱动引脚数都不超过10个,所以可以考虑以10段作为上限,设计驱动电路。

 

  在模块的驱动设计上,考虑到成本及组合需要,应该将模块设计成每个单独模块都能够完全独立工作,各级模块之间仅使用插口连接,完成主电源与数据信号的传递工作。在一个单管独立模块的设计上,由于只有一个单独的管子需要驱动,所以使用正高压配合直流灯丝且以静态驱动的形式是最合适的一种驱动方案,这一方案的优点主要是正高压与直流灯丝电压都很容易生成,而且基于VFD管的阳极熄灭法特性,在非扫描驱动的情况下,无需要使用负压Ek,所以灯丝与正高压之间完全可以共地,电源电路部分设计将简单很多。使用正高压驱动电路的缺点是与负压驱动电路相比,需要使用正压驱动芯片或者是使用双三极管进行电平移位驱动,零件成本成本会高一些。

 

图:YS13荧光数码管阳极熄灭法特性(灯丝电压1V5)
图:YS13荧光数码管阳极熄灭法特性(灯丝电压1V5)

  在模块的信号类型与极联设计方式上,考虑到模块所需的实际数据量很少,包含VFD显示及其他数据在内,一般都只有几个字节的数据量,同时考虑到需要简化与Arduino等驱动电路连接,所以在数据接口的设计上应尽量考虑减少连线,最后决定使用串行类型的接口作为信号接口。

  与VFD TUBE电子时钟等的制作类似,可以在VFD管的下方增加RGB真彩色LED作为底部光源,以加强模块的实际显示效果。实物也可考虑同时使用透明亚克力板等设计对应的面板,利用亚克力板的侧面导光性,在制作的外边缘生成一层彩色灯光亮边,提升制作的实际显示效果。

  由于大部分8字荧光数码管的驱动要求都基本一致,都需要灯丝电压与栅极与阳极电压,仅电压类型与电压值有差别,这里仅以IV-11荧光数码管作为本例的范本,完成一个完成的模块制作,其他类型的显示管的制作原理是一致的,仅需重新设计上连接板即可。

  下面先来了解一下IV-11荧光数码管的基本情况与电气参数。

 

IV-11(ИB-11)数码管简介

 

  IV-11荧光数码管为上世纪90年代乌克兰生产的真空荧光显示管,直立安装侧面显示。管内包含一个标准7段数码加一个小数点共计8个显示笔段,笔段发光颜色为亮绿色,显示效果较好。IV-11荧光数码管的主要优点是管子尺寸比较大,数码管整体高度60.0mm直径22.5mm,其中内部笔段显示区域高度为21.0mm,宽度为14.65mm,显示区与传统荧光显示管相比要大很多,显示效果也自然更加醒目,所以经常被也爱好者用来制作成时钟应用。

  全管总计11只管脚,管脚直径为0.5mm,其中Pin1Pin11脚为灯丝引脚,Pin2脚为栅极引脚,其余8脚为笔段阳极引脚。引脚功能详见下表。

 

引脚

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

功能

灯丝F+

Grid

E

H

F

A

G

B

C

D

灯丝F-

 

  IV-11原始说明书为俄文,可以通过网络搜索到译为英文的说明书。从说明书描述的电气参数来看,它的供电结构比较简单,灯丝工作电压Uf1V5,栅极电压Ug与阳极电压Ua电压值相同,在静态显示模式下,推荐的电压值为25V~30V,在动态显示模式下推荐的电压值为50V~70V,最高电压不应超过70V。从电流参数上看,此管电流消耗较大,灯丝部分典型工作电流If100mA,高压部分中栅极典型工作电流Ig 12~17mA,阳极典型工作电流Ia3.5~5mA(单一阳极平均电流为0.8mA),与其他类型的显示管相比,此管接近一半的功率消耗在驱动栅极与阳极上。应当特别注意的一点是IV-11荧光数码管属于直流管,其灯丝电压为直流驱动,如果从侧面观察管内灯丝位置情况,可发现灯丝是斜拉式安装,通过灯丝与显示面的距离不同来对直流电位差进行补偿。就补偿的原理来分析,灯丝距离栅极较远的一端为应为负极,灯丝距离栅极较近的一端则为正极。这一点其实很好理解,灯丝负极与共地的栅极高压之间比灯丝正极与高压之间具备更大的电压差,如果要维持均匀的显示亮度,灯丝负极距离显示区的位置自然更远一些。所以在实际应用时,灯丝供电的正负极千万不要接错,也不要使用交流电压来驱动灯丝,否则数码管会出现显示时文字上下亮度明显不一致的现象。

  从外观上来看,IV-11为典型的侧显管,即管子的显示面在侧平面上。此类管子的安装方式一般采用沿PCB平摆安装或者垂直安装为佳,通常制作成电子时钟应用时,采用的都是垂直直立焊接方式进行安装,本制作也采用此种安装方式。观察管子的内部,其总体结构还是比较简单的,属于典型的真空三极管式荧光显示管,内部垂直走向的灯丝及网格线型的栅极组成了基本的驱动结构,阳极笔段电极通过背板后的引线引出连接,内部连线清晰可见。但是从管子的整体做工上来看,工艺略显粗糙,虽然生产年代仅仅在十几年前,但是依旧有一部分的管子内部金属板部分还是有明显的班驳老化的痕迹。在实际测试中,还发现个别荧光管连接栅极高压后,屏幕上出现明显的红色辉光的现象,小部分管子的品质算不得优异。所以在实际使用前,应该先使用测试电路对管子进行筛选,剔除瑕疵品。筛选过程中尽量选择显示品质接近、无明显异常、管子内部金属板颜色一致、工作状态良好的管子成组使用,以期在多管串联应用中获得良好的显示效果。

  对于VFD荧光显示管,典型的快速测试可以直接使用普通电池来供电,其中灯丝部分使用一节1.5V的干电池供电,高压部分可使用两节或三节9V层叠电池串联后供电,两组电池共地连接。电池与显示管的连接可使用杜邦线或者鳄鱼夹进行,先将1.5V电池连接到灯丝引脚,正常情况下,灯丝会发出微红的光,表示灯丝工作正常。然后将共地的高压部分连接到栅极与各阳极引脚,即可使笔段发光,仔细观察显示效果与笔段发光的均匀度,尽量选择显示优异的管子备用。

图:IV-11荧光数码管外观及电气连接
图:IV-11荧光数码管外观及电气连接

荧光管供电电路设计

 

  荧光管供电电路设计中先要确定驱动方式及供电方式,驱动方式传统上有动态驱动与静态驱动两类,其中动态驱动的优点的引脚少,线路连接容易,但是显示时容易产生闪烁感,且动态显示时所需要的驱动高压已超过安全电压范围,存在触电的危险,而静态驱动虽然需要更多的驱动引脚,但是显示稳定无闪烁,对高压的要求也比较低,同时另外一个显著的优点是,由于IV-11的灯丝为直流供电,且电压只有1.5V,在静态驱动的情况下,对截止偏压无要求,可以直接将灯丝与驱动高压共地连接,极大地简化了两组电压的连接关系。而且本制作设计成单一模块组合连接方式,如果使用动态驱动则Grid部分的引线连接不是很方便,所以最后决定选择使用静态驱动方案。

  供电方式可选择的方案为正压高压与负压高压,使用正压高压的优点是容易生成,市场上有很多专用的电路可以直接生成大电流的正性高压,方案成熟,缺点是使用正压VFD驱动芯片的价格可能是负压驱动芯片的好几倍,价格较高。使用负压驱动的优点是VFD负压驱芯片价廉且易购,缺点是大电流的负压生成不易,传统上采用高频变压器的方式来生成,效率不高。考虑到IV-11的灯丝采用直流电进行驱动,使用负高压则需要使用变压器进行隔离,会造成电路设计复杂化,所以本制作选择使用正高压配合专用的正高压驱动芯片完成管子的驱动。虽然驱动芯片价格稍高,但是正压电路的成本降低了,综合起来元件总成本提高不多。

  驱动IV-11需要提供两路基本的供电电压,分别是灯丝电压与驱动正高压,下面分别对这两组电压的电路进行说明。

  灯丝电压规格为为直流1.5V,单管工作电流为100mA。在主供电为5V直流的情况下,为了获得灯丝供电需要1V5的直流电压,需要降压电路进行降压,由于灯丝是阻性负载,则降压最简单的方法是在灯丝上串联一个功率电阻,或者使用LM317类可调节三端稳压电路进行降压,但是考虑到灯丝电流有100mA,以上方法效率很低,大部分能量都发热浪费掉了,所以本制作最后选择使用专用的DC-DC降压芯片组成Buck电路,以提高灯丝供电效率。考虑到制作布线的简洁及PCB面积的限制,同时考虑到市场实际的采购情况,实际选择的降压芯片为SOT23-5封装的1.2M高频Buck芯片完成降压电路,此类芯片大部分著名的半导体公司都有管脚兼容的产品,所以可根据自己的实际情况自行选择具体的型号。这个电路基本都可以提供300mA以上开关电流,而且电路转换效率都在90%以上,同时由于是高频转换,所以可以使用体积极小的功率电感,占据PCB面积极小。对于1V5定压应用,可选择使用定压规格的Buck芯片,可节约外部的采样电阻,外围零件只有电感与输入与输出电容组成,灯丝供电部分的整体线路简单明了。

  对于高压部分,由于本制作是使用正高压进行驱动,电压范围为+25V~+30V,所需的驱动电流也比较小,最高电流约为20mA左右,对于这样的电压生成,使用市面上大部分公司生产的SOT23-5封装的Boost芯片都可以生成。选择时只需要重点注意一下Boost芯片的最大开关管耐压应在30V以上才可使用。Boost电路结构是通用型电路,由Boost芯片驱动电感后经肖特基二极管整流后输出,反馈电压使用两电阻组成的电压采样电路返回到Boost芯片的FB引脚。这种升压电路很常见,细节部分这里就不再详细说明。

降压电路
降压电路
正高压生成电路
正高压生成电路

  以上供电电路的注意点主要集中在PCB线路布置上,对于高频DC/DC转换电路的元件选择及布线一般需要注意一下几个要点,以确保电路工作稳定。

  1、电感应选择高Q值的功率电感,为防止对周边电路的干扰,最好选择磁屏蔽电感,电感下方应覆地平面,不要走线;

  2、输出电容尽量选择低ESR的钽电容或陶瓷电容,位置尽量靠近Buck/Boost芯片输出脚;

  3、尽量增大地平面的面积,减少线路损耗,避免元件发热;

  4、二极管应选择耐压足够的肖特基二极管,可以提供较低的正向压降及快速的开关速度;

  5、如原厂提供PCB建议布线图,应尽量采用,以期获得稳定的工作电路与高效的转换效率;

 

模块驱动电路设计

 

  基本设计上考虑,模块的底板应该是通用的,应完成数据通讯、显示管驱动、LED驱动、电源供应等功能,而模块的顶板则放置LED管、VFD显示管,且应该是可更换的。在这个模块的前期测试电路的设计中,原本为了确保节约成本,将大部分驱动零件都位于底板上,包括了电源电路,而顶板仅有一只RGB-LED与显示管。但是在实际应用中发现的问题是虽然可以通过底板上的开关/跳线调整出几组不同的灯丝电压与高压,但是方便性不足,同时由于没有对应的显示板类型判断电路,所以很有可能将不正确的电压施加到不同显示管模块上,虽然电压差异都比较小,不足以烧毁显示模块,但明显欠缺通用性与灵活性,用户使用起来也不方便,更换模块时需要特别注意电压跳线。经过改良,最后确定的电路板结构中,将灯丝与高压电路放到了显示板上,由显示板提供对应管子配套电压电路,并且将正确的高压由显示板传递到底板上使用。这样的设计的主要缺点是增加了成本,每个显示板都需要一套对应的电压生成零件,但是优点也很明显,一来不会因为显示模块的切换而需要改变驱动电压,因为驱动电压是固定在显示板上的,同时高频生成电路均位于顶部的显示板上,对于底板通讯电路的影响比较小。从整个模块的结构上看,使用这样的设计也充分利用了两板之间的空隙,减小了模块的总高度。

  对于模块的数据接口,传统的设计思维是使用74HC595等芯片作为串并转换电路进行信号的极联,74HC595的端口可以直接驱动小型的RGB LED,而VFD的阳极部分的驱动则在74HC595输出口上增加电平移位电路进行驱动,通常是使用NPN+PNP组成一个标准的电平移位电路或者直接使用三极管阵列(如:TD62783)芯片完成这一工作。当然,如果对工作效率没有太大的要求,追求使用较廉价的零件,以上电路也可以仅使用一只NPN三极管或者同类的廉价三极管阵列如ULN2003组成“短路型”电路进行驱动,可节约成本。

  上述电路的优点是74HC595价格低廉,电路结构简单,容易驱动。缺点也很多,首先从LED驱动上来看,由于仅仅是使用简单的串并转换,点亮RGB-LED是没有什么问题,但是要根据用户需要形成绚丽的灰度效果,只能由用户单片机主动进行PWM刷新工作,这样不仅大量消耗用户单片机的资源,同时也因为简单的PWM驱动由于速度的限制,很难形成稳定的真彩色效果,而且随着模块极联数量的增加,每次传递的数据量也会成倍增加,效果更是要大打折扣。其次是74HC595无法直接驱动VFD笔段,使用三极管等转接驱动大大增加电路的成本与焊接工作量,而且自家PCB尺寸与布线难度。所以以上两个驱动工作应该考虑选择专用的驱动电路且最好两者之间能够直接连接的芯片进行驱动。

  经过多次的选型与试验,最后选定使用以下两种芯片进行驱动:对于LED驱动部分,选择使用台湾点晶公司生产的DM413芯片作为三通道RGB-LED的驱动芯片,这个芯片的优点是提供8位、13位、14位可选的灰度驱动模式,其中8位模式为无gamma校准的rgb-24位模式,13位模式为5字节数据,RGB每位带5gamma校准数据,而14位则为4字节数据,RGB数据后带一6位全局亮数据格式。使用以上任一格式都可以显示出绚丽的RGB色彩。此芯片的接口是典型的串行SPI类的接口,驱动简单,更加值得一提的是,由于原芯片专门就是为LED级联设计的,所以在芯片上提供了独立的信号输出端,级联信号通过芯片内部重整后在特定输出口输出,以确保传递给下一级的信号的稳定。同时对于输出的数据信号的触发沿类型等参数可通过引脚来进行设置,具备极强的通用性。

  在高压驱动芯片的选型上,考虑到与LED驱动芯片的直接连接,最后选择了Supertex公司出品的HV6810,此芯片为串行接口型串入并出高压转换芯片,片内总共提供了10只高压输出引脚,高压部分典型支持电压为20V~80V,是专为VFD驱动设计的高压驱动芯片。虽然芯片价格高一些,但是单片即可完成所有VFD引脚的驱动工作,大大减少了元件数量,也降低了电路设计的复杂度,所以选用这一芯片还是值得的。HV6810DM413之间可以数据信号直连,在电路设计中考虑到需要利用DM413的数据输出重整功能确保传输给下一级的数据信号的稳定,所以在连接上,将HV6810数据口作为主接收口,HV6810输出的数据再连接到DM413上,最后经过DM413重整后输出的数据传输给下一个模块,确保了信号传递的稳定。HV6810DM413仅在锁存信号的极性上不相同,这个信号使用一个带阻的NPN型数字三极管构成一个反向门电路进行反转,具体连接请参考本制作的电路图。

 

供电保护电路

 

  由于受到模块PCB面积的限制,本模块没有设计过压保护电路,所以在输入电路的电压上需要特别注意不要出现过压的情况,通常输入电压最高不应超过5V5。

  为了保护模块,电路中使用1206封装的自恢复保险丝作为过流保护器件。同时为了防止出现电源反接造成电路损坏,还在电源电路中增加了反向极性电压保护电路。通常在对电压压降不敏感的电路中,可串联一个低压降的如SS14肖特基二极管作为反接保护元件,优点是简单,缺点是二极管上存在压降,易造成功率损耗。而本模块需要提高效率,保持低压降,所以这一反接保护电路使用一个门极接地的P沟道的MSOFET管来实现,电路利用PMOSFET极低的导通电阻来提高电路效率。

防电源反接保护电路
防电源反接保护电路

电路图及零件表

 

  经过多次优化后的整体电路设计简洁明了,电路中分成上下两部分模块板,中间使用2.0mm的排针与排座位进行连接。模块之间使用8pin的单排2.54的排针与排座连接,主要目的是增加连接的可靠性。其中电源输入与地部分各使用了其中的两脚,以减少供电的接口电阻,确保供电的稳定。

  实际测试结果表明,整个模块电路工作稳定,板上零件在正常工作状态下长时间连续工作也无任何发热现象。VFD管显示亮度高,各字段显示亮度均匀,无闪烁。

 

底板元件表:

数量

元件值

元件名称

元件标号

1

 

87758-0816

X2

1

 

87758-1016

X1

1

 

C-EUC0805K

C7

1

 

DTC114EKA-10K-10K

T

1

 

FE08W

INPUT

1

 

MA08-1W

OUTPUT

5

 

RESISTOR_EUR0805

R1, R7, R8, R9, R10

1

 

SOLDERJUMPER_2WAYS

SJ1

1

 

VARISTORCN1206

R6

2

0u1

C-EUC0805K

C6, C8

1

DM413SOP16

DM413SOP16

IC3

1

HV6810SW

HV6810SW

IC4

1

SI2301DS-P

SI2301DS-P

Q1

 

IV-11顶板元件表:

 

数量

元件值

元件名称

元件标号

1

 

87758-0816

X2

1

 

87758-1016

X1

1

 

BAV99SOT23

D1

1

 

CPOL-EUB/3528-21R

C1

1

 

IV-11BIGHOLE

VFD

1

2M

RESISTOR_EUR0805

R1

1

2u2h

INDUCTANCE_US3*3

L2

1

4u7

C-EUC0805K

C4

1

4u7/25V

C-EUC0805K

C2

1

4u7/50V

C-EUC0805K

C3

1

10u

C-EUC0805K

C5

1

22p

C-EUC0805K

C6

1

10uH~22uH

INDUCTANCE_US3*3

L1

2

100k

RESISTOR_EUR0805

R3, R4

1

150k

RESISTOR_EUR0805

R2

1

LED-TRICOLOR-5050

LED-TRICOLOR-5050

LED1

1

LED-TRICOLOR-THROUGHHOLE

LED-TRICOLOR-THROUGHHOLE

U$1

1

LED-TRICOLOR-THROUGHHOLESMALLHOLE

LED-TRICOLOR-THROUGHHOLESMALLHOLE

LED

1

LT1613

LT1613

IC2

1

LTC3406B

LTC3406B

IC1

 

上下板电路图
上下板电路图

安装调试

 

  由于本制作设计中分为上下两块板,建议先焊接底板。底板上包含两大片的集成电路,可先焊接上,由于两芯片是SOP封装的,所以在焊接上不存在什么难度,只要注意在焊接时确保引脚与焊盘正确对齐即可。一般是推荐在焊接前,先焊上边缘一脚先完成对位固定或者使用耐高温胶布在板上固定元件。底板左右两边的8-pin的排针与排座应尽量贴紧PCB后方可进行焊接,一般建议先使用夹子夹紧后再焊,以确保模块左右级联的平整性。有条件的情况下,可考虑在排座下方贴3M强力双面胶纸,以确保排座保持水平。

  特别需要注意的是使用的2.54单排针应该使用单排反弯针,如果采购不到,也可以自己制作,方法是将双排弯针的短针拔出,反插到普通单排针的塑料件内,然后使用排座插入,推平对齐即可。

  在自制反插针时,最容易想到的方法是使用尖嘴钳等工具将插针拔出,实际这不是一个好方法,强行拔针容易造成插针弯曲报废。实际推荐的方法是将插针前端顶着如木块等硬物,然后前推插座塑料件,将插针从后部推出即可。这种方法可以获得完整不变形的插针。

  在回插插针时,应该特别注意插件塑料件平整一面为向外的一面,不要弄错了。插针插入塑料件后,先不要去关注对齐问题,可先将插针插入PCB安装孔内,然后使用一单排座,插入插针头位置,均匀使力,即可推平插针。

  单排反插针具体制作过程如下图。

图:自制单排反针
图:自制单排反针

  上下板连接排针与排座必须焊接平整,防止插接时出现歪斜,一般推荐先在底板上焊接排座,焊接无误后插上排针后再放上上层PCB后进行焊接,这样可确保上下板的对齐。

  由于上板包含了灯丝电压与高压部分的电路,所以上板可单独进行调试,方法是在焊接完两组DC/DC转换电路后,通过插针为上板供电,然后测量两组DC电路输出电容两端的电压,即可判断两电路是否工作正常。特别注意的是,测试前需要将排针中En对应的引脚连接在正电压上,使用一个2.0mm的短接插头即可(实际使用2.54mm的短接插头也可以)。

  如果上板各组电压生成正常,底板无短路等问题,即可组合上下板后进行测试,由于上下两板分离式设计,所以批量制作时,可分开调试,简化了调试工作。

  由于IV-11目前价格较高,采购不易,为确保IV-11VFD管的可重复利用性,本制作使用了插座法进行连接,对于没有成品插座的管子,选用标准的插座针进行转接。焊接插座针时,应先将插座针套在管子引脚上,尽量确保插座针开口位置的对称,以确保成品的美观性。排列整齐后,连管子一起插入PCB对应的焊孔内进行焊接。焊接时需要特别注意焊锡的用量,不要让焊锡通过缝隙进入到插脚内,造成插座针报废,或者在焊接前先使用茶色耐高温胶带先将插座针顶部保护起来。完成焊接后的插座针尾部细脚部分过长,会影响上下板的组合安装,所以在焊接完成后需要使用水口钳将超长部分剪去,在不影响模块安装的前提下,尽量在末尾保留小段的细脚部分,以保持模块的美观。

  由于使用了高效的DC/DC转换模块,所以本模块的电源转换效率相当的高,通常为90%左右。高效的转换节约了电力消耗,使得模块的工作电流相对较低。实测驱动一个IV-11显示板的VFD模块,在5V供电条件下,全点亮VFD所有笔段外加全点亮板上5050-LED部分的总实际电流消耗通常在140mA左右。其中大约2/3的电流是消耗在点亮IV-11上,大约1/3电流消耗在LED上。可见在这一模块中IV-11是主要的耗电大户。通常情况下,如果以一个标准的电脑USB口供电,电流不应超过500mA,则一个电脑的USB口的电力大约可以驱动3只串联的IV-11模块,如果需要串联更多的IV-11模块,则需要考虑使用双USB口或者使用单独的电源适配器供电。视实际使用的VFD管特性及点亮笔段的不同,电流可能有一定程度的加减,但是如果发现电流超过200mA,则应仔细检查线路及所使用的零件质量。

  如果换用如YS27-3等小耗电量的VFD显示管模块板,实际整体模块工作电流可以减少一半以上,可以在同等电源功率下串联更多的显示模块,具体视所使用的管子类型及实际耗电情况确定。

  由于模块使用单一5V外部供电,通常少量使用的情况下,可以使用ARDUINO UNO板为模块供电。当串联模块过多,所需电流过大时,可使用外部电源适配器为模块供电,同时模块引脚中包含两组的电压引脚,其中的一组可以引出电源为ARDUINO UNO板供电。

IV-11顶板
IV-11顶板
模块底板
模块底板
插针管座
插针管座

数据接口及软件层应用

 

  本模块的数据接口层比较简单,就是通常的SPI接口,根据所选择的DM413工作模式的不同,有不同的数据流格式,但接口本质是不变的。每个模块的数据包含LED使用的RGB真彩数据与可选的gamma数据,后跟10位的VFD数据。根据DM413三种工作模式,分别是5字节的13-bit模式,4字节的14-bit模式及无gamma的3字节8-bit模式的,以上三种模式可通过PCB底板上的短路接头及焊盘完成设置,其中焊盘拉高与拉低选择其中两种模式,最后一种模式使用焊接>100pF容量的电容来完成第三态模式的选择。具体请参考电路图及DM413的说明书。

  由于本制作对LED的色彩精确性的要求不高,考虑到减少数据量及保持通用性,没有使用gamm数据,默认使用的是24-bit3字节DM163工作模式,LED数据结构为通常的R8G8B8模式数据结构。

  为便于操作模块中各种不同的数据,在驱动代码的实现上,使用了一个C语言的结构来构造模块的数据体,具体结构定义如下,其中的vfdseg部分的uint16中的低10个位对应HV6810的10个输出引脚,数据结构的后部3字节数据则为24-bit结构的DM413中对应的LED数据。对于多个级联的模块结构,只需要使用一个这样的数据结构数组即可方便地进行定义整个连接的模块串中的各模块的对应数据。设置时只需要使用send_data()函数直接送出对应的数据数组即可,整体使用上非常方便。

  实际数据传输部分的实现代码比较简单,按照接口的时序,逐一送出对应的数据,然后锁存显示即可。模块中的EN引脚用于关断模块内的灯丝与高压部分的工作,以节约电力,默认情况下无需连接。

组装后的效果
组装后的效果

驱动其他类型的VFD显示管

  由于是模块化设计,所以本制作的底板可以驱动大部分的VFD显示管,在更换VFD显示管的型号时,只需重新设计一片简单的上接显示板即可,底板电路可以保持不变。
  根据实际设计经验,一些如YS30-1、YS27-3型的显示管由于底部中心存在玻璃气孔管,所以在可能的情况下,尽量选择使用对应的插座,以方便在管子下方安装贴片LED。市场上YS30/QS30兼容的陶瓷插座比较便宜也很好买到,而YS27对应的插座则因价格较高,可以考虑使用插座针来转接,使用插座针的优点是插拔容易,缺点是会增加模块的整体高度。如果需要降低模块高度,也可考虑直接将管子焊接到PCB上,此时在设计上接PCB时必须考虑在转接板中间开孔,便于气孔管插入。同时应考虑使用多个微型的0805 RGB-LED取代通常的5050LED模块安装在VFD管底部的前后侧,以确保亮度均匀。

模块极联
模块极联

外壳设计与多模块连接

  考虑到制作的美观,与多模块连接的需要,在制作后期,专门为此模块设计了配套的亚克力外壳,考虑到成本及模块尺寸,实际的外壳并非由完的封闭模块组成,而是由几片设计好外观的亚克力片组成,主要目的是提供一定的外观美观度与隔离裸露的电路板。亚克力主要遮盖模块的上下两面,由于PCB的外面都存在插针的焊点,所以应在亚克力对应位置处开孔,同时上板应使用透明或者半透明的亚克力材质,可以同时起到导光的效果,增加美观性。而下板则建议使用全透明的亚克力板,便于观察下板PCB上的各接口文字说明。

 

外壳亚克力件
外壳亚克力件

  关于连接部分,原本考虑的是制作背板连接,即由预定义模块的长度,根据各模块的实际位置在背板上开启安装孔,然后通过模块上的螺丝将所有模块连接后统一安装到背板上。这一设计的优点是简单容易,而且背板设计安装在模块的背面,不占用模块的PCB空间。缺点是只能定制模块数量固定的背板,而不能随意级连,灵活性不足。所以最后的连接件的设计淘汰了固定数量的背板设计,而更换为左右连接的上板设计,即使用3mm厚度的亚克力板设计出左右连接的安装固定孔,在模块上板的下方空间内完成左右模块的连接工作,这一设计的优点是组合简单容易,可根据需要随意连接出任意长度的模块,花费的成本低,拆装方便。

模块左右亚克力连接件
模块左右亚克力连接件

制作总结

 

  本制作给读者提供了一个极通用的VFD数码管显示模块,作为对VFD管驱的一个实践性制作,配套上亚克力外壳,足以做成一个优质的Arduino模块使用。利用这一模块,Arduino爱好者们可以直接使用IO口驱动VFD,无需考虑复杂的灯丝、高压、LED扫描细节,可将更多的精力放在应用程序开发上。

  希望这一文章能够起到抛砖引玉的作用,使更多的爱好者能够利用这一电路开发出更多的Arduino应用模块,并著作出自己的精彩应用。本文相关软件、硬件资料及后期开发进度,请关注本人的电子DIY博客——http://vfdclock.jimdo.com

 

全文完

Sch-IV11上板电路图.pdf
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Sch-底板电路图.pdf
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Arduino通用荧光数码管模块原代码及外壳文件
包含Arduino代码及亚克力外壳设计CDR文件,可直接发出激光切割
Arduino通用荧光数码管模块原代码及外壳文件.rar
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本文已在《无线电》杂志2013年09期发表
本文已在《无线电》杂志2013年09期发表

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