8月 24, 2015

分析Divergence Meter原作尺寸

本作品的外形设计是以Steins;Gate中出现的Divergence Meter为原型，从25集的《命运石之门》动漫中可以看到，Divergence Meter一共有12个主要镜头，每个镜头的角度不尽相同，由这些镜头大致能看到Divergence Meter的全貌。

再次看了一遍25集《命运石之门》，把这12个主要镜头截图出来汇总一下：

No.1 第1集 起源与终结的序章 09’30”	No.2 第14集 形而下的坏死 19’21”	No.3 第14集 形而下的坏死 19’32”	No.4 第15集 缺失环节上的坏死15’13”
No.5 第15集 缺失环节上的坏死15’27”	No.6 第15集 缺失环节上的坏死15’33”	No.7 第15集 缺失环节上的坏死 15’47”	No.8 第15集 缺失环节上的坏死 16’17”
No.9 第15集 缺失环节上的坏死 16’18”	No.10 第16集 不可逆的坏死 13’33’	No.11 第16集 不可逆的坏死21’12”	No.12 第17集 虚像歪曲的混合 00’44”

本章将基于这些截图来对外形尺寸、外壳材质、安装方式进行分析与假设，并从可行性角度来对外壳结构进行设计。

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Divergence Meter所用的8个用来显示数字的器件是什么？没错，她们叫做 辉光管 | Nixie tube ，这是一个不争的事实。
这8颗辉光管是世界线变动率探测仪最核心的部分，也是最有意思的部分，无论是Baidu还是Google，我们可以看到很多关于“世界线变动率探测仪用的辉光管是什么型号？”之类的问题讨论，而且大家讨论的热情高涨。所以在这一章，我也根据我所掌握的信息与经验来为大家分析一下相关内容。

为什么Divergence Meter使用的是辉光管？

为什么Divergence Meter上面安装的这8颗是辉光管？为什么不是VFD荧光管？为什么不是LED数码管？这要从辉光管的特点说起，而这些特点在原作中的Divergence Meter上都能得到充分体现。

1. 辉光管外形是一个圆柱形玻璃管
	简单来说，辉光管属于电真空器件的一种，也就是电子管，它是由玻璃做外壳，外形通常为圆柱形，金属电极从底部引出管身外，内部有一个阳极电极，若干个阴极电极。阳极就是包裹在最外层的金属网，阴极就是内部的数字或者符号。但辉光管内部并不是真空，而是充满着由氖气、氩气以及水银蒸汽等组成的混合气体，主要成分是惰性气体氖气(Ne)。
2. 辉光管的数字颜色是温暖的橘红色
	辉光管内部发光的数字并不是灯丝，很多朋友都认为它像灯泡一样是灯丝发光，其实辉光管是利用金属阴极在惰性气体环境中产生辉光放电效应 而产生的光芒，而这个光的颜色主要取决于内部的气体的成分。由于辉光管内部主要气体成分是氖气，所以辉光管显示的数字颜色是橘红色。如果我们仔细观察，会看到不是 金属丝在发光，而是做成数字形状的金属丝周围的一层气体在发光。而VFD荧光管也是一种电真空器件，它内部是真空的，显示数字是利用电子轰击荧光粉产生的 光亮，绝大多数荧光管的颜色是蓝绿色。
3. 辉光管的数字形状为手写体阿拉伯数字且有层次感
	由于辉光管是金属阴极产生辉光放电效应所发光，所以每一个数字都有一个独立的阴极，而且这个金属阴极形状本身就是一个完整的手写体阿拉伯数字，它们在玻璃 管内依次叠放在一起，但彼此绝缘，通常这些金属数字是通过顶部和底部的两个小孔穿起来固定而成，每穿过一片金属数字都用一片陶瓷片或云母片隔开绝缘。从侧 面来看可以看到每一个不同数字亮起的时候，数字所在的位置都不同，这也是辉光管的一个显著特点：数字显示的层次感非常强。而从VFD荧光管开始，数字的形 状已经开始使用类似现代的7段数码管的显示字形，棱角分明，且每个数字都由若干的水平/垂直的线段组成。
4. 辉光管的数字外有金属网罩
	在叠加的金属数字外围，尤其是在正面和侧面，会看到一层金属网罩，这个金属网罩连接着背面的金属板形成一个整体并包围在金属数字阴极的周围，这个网罩就是辉光管的阳极，工作的过程中需要给这个金属阳极加上170V左右的高电压，才能使阴极的金属数字产生漂亮的橘红色光芒。而做成网格的目的是为了是阅读更加方便，所以网格越细腻，内部的数字也就看的却清晰。

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如果我们去评价一件作品，往往会去注意其细节。是否用心去做，其实就是是否用心去处理细节之处，尤其是在制作Divergence Meter的时候，原作已经通过一些镜头将细节展示给了我们，能否完美的在现实中再现，虽然有一定难度，但我更愿意享受这个过程。本章将会分享一些在制作过程中对于外观细节的考虑与设计思路，包括外观零配件的选用等等，一切都以追求完美为出发点，尽可能的把Divergence Meter在现实中再现。

关于机身外壳材质的选择

Divergence Meter的外壳分为两个部分，一个部分是顶部的面板，前面分析过也对比过，从作者本意来看她其实是一块万能电路板，均匀分布着标准IC间距（0.1英寸/2.54mm）的小孔。第二部分是前后左右加底部共5个面。这两个部分从Steins;Gate原作的截图上分析，作者的本意是通过顶部面板上的6颗六角铜柱来固定的，下面的前后左右四个面通过截图也能看出来作者本意是通过拐角的四个包角和螺丝来固定。结构方案的设计在 第一章 Divergence Meter 结构方案设计 中已经阐述过，本次作品在结构上的设计也是遵循我们分析出来的固定方式，在这里我想和大家分享一下选择机身外壳材质时的一些想法。

我们再来回顾几张截图，这几张截图突出展示了外壳主体部分，我们先来看一下：

相信大家和我的第一感觉一样，这是一个金属的外壳，是的，无论从颜色、光泽、固定方式来看，这必须是一个金属外壳，不可能是塑料外壳，因为塑料外壳是不会用这种固定方式，也不会是这种色泽。既然如此，选择什么样的的金属材料来做这个外壳呢？常见的适合于做外科的金属材料无非是铝合金和不锈钢。

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单独把外壳的制作过程拿出来讲，其实是因为在这个过程中我走了很多弯路，正是这样的经历让我慢慢熟悉了一些加工工艺的过程，也算是一种经验积累，希望能与大家一起分享一下。

顶部的PCB面板在制作加工的过程中基本上不需要我参与，PCB加工厂会严格的按照我的图纸上的尺寸和规格来生产出一模一样的东西，这里主要讲一讲底部的不锈钢外壳。
不锈钢这种板材，无论是我用到的1mm还是2mm厚度，其实有很多种方式来成型加工，况且我要做的形状都是规则的矩形，这些加工方式包括：冲压、圆锯锯片切割、砂轮切割、线切割、等离子切割、激光切割、水切割等等，这些加工方式各有各的特点，就不一一介绍了，前面提到过，本次Divergence Meter这件作品的不锈钢外壳是用激光切割的方式加工的，其实，这并不是刚开始时的选择，无论什么加工方式，先准备好图纸吧。

前后左右加底部，一共5片金属面板要加工，其中左右面板是相同的，所以准备好4张加工图纸：

前面板2D加工图纸	后面板板2D加工图纸	左右侧面板板2D加工图纸	底板板2D加工图纸

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应该说完美的外形使Divergence Meter与原作有九分形似，匹配的上这个完美的外形还有很长的路要走，那就是如何驱动这8颗辉光管，并且让她最终具备动画中所展示的那些动画特效。不仅如此，我还打算让她具备一些独特的元素，使她更能展示出Steins;Gate的特征。除了这些之外，我们都知道世界线变动率在现实中其实是不存在的，至少现在还没有能证明它存在的学术理论，所以这件作品也不能只是个花瓶，只能摆着看，我打算让她也具备一些实用的功能，例如时钟等等。

在设计电路驱动方案之前，我先把与硬件相关的所要实现的功能列出来：

1. 提高便携性能，能够采用内置锂电池供电（这将是整个电路方案最大的难点所在）。
2. 实现USB供电与充电，并能实现智能电源管理与切换。
3. 为了能使全球不同国家的电子迷和动漫迷都能分享这个作品，我计划让她实现多国语言语音报时（暂定汉语普通话、英语、日语、德语四种语言）。
4. 不再使用单调而刺耳的蜂鸣器来做操作提示和闹钟，实现音乐闹钟和各种操作音效，并能调节音量大小。
5. 具备精确的时钟显示功能，并实现常用的日历、闹钟、温度查看工功能，并支持GPS校时（这些在我之前的辉光钟作品中已经完美实现）。

基于以上计划功能，我们将需要的电路模块有以下这些，硬件结构图如下：

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电路板的组装与调试对于DIY来讲是乐趣所在，也是享受成就感的过程，看着自己设计的电路板实现了自己设定的目标，这对每一个技术宅来说都会像兴奋剂一样。
这次设计Divergence Meter所用到的最小片阻片容封装是0805的，基本没有什么难度，最小的芯片封装是QFN的，对于我这种拿烙铁超过20年的焊工来说也不是问题，所以第一块样板就是用一把小刀头搞定。下面这张照片上的是我按照实际应用的尺寸来设计并手工焊接的第一块PCB，从她开始到最终定型经历了3个版本，每次调整都是为了使她更合理、更稳定、效果更好。

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如果说外形方面我们要尽可能的Follow原作设计，电路方面我们要以8颗辉光管驱动为中心，那么功能设计我们便可以尽可能的按照自己的想法来编写软件实现各种功能。

在动漫原作里，我们所看到的Divergence Meter动画镜头并不多，常见的就是7个数字滚动跳跃的镜头，貌似是在测量正在变动跳跃的世界线。其余的镜头中，Divergence Meter总是显示着一个世界线变动率的值，所以这将是我们需要实现的首要功能。为了使朋友们能够定义自己的世界线变动率，本次作品可以存储10组自定义的Divergence值，朋友们可以非常容易的输入和修改这些变动率值，并可以随时调出世界线变动率演示动画。

除此之外，本次作品也设计了丰富的功能，本章将做详细介绍。

Divergence Meter主机功能接口说明

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在动漫原作中有一个镜头，阿万音铃羽（あまね すずは，Amane Suzuha）从挎包里拿出了一台Divergence Meter，但现实中它确是安装有8颗辉光管的一个带有不锈钢底座的比较重的电子设备，并且能够脱离电源适配器而使用锂电池进行长时间工作。所以为此，我打算为她设计一款专用的包装，既能在运输过程中很好的保护Divergence Meter，又能方便朋友们出门携带着她。

事实上在之前的创作当中，我还从未特意为作品设计专用的包装，而这次我根据Divergence Meter的外形尺寸绘制了3D模型，和许多高精端仪器设备一样使用EVA泡棉设计了嵌入式的全方位包装，请见下图：

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