IV-22 VFD Module | 荧光管显示模块 介绍【硬件篇】

English version of this post:  IV-22 VFD Module for Arduino [hardware design]

荧光数码管|VFD tube,最早于1967年诞生在日本,属于真空电子时代的显示器件的典型代表之一。
同辉光数码管(Nixie tube)一样,她也属于濒临绝迹的古老电子器件,也是电子技术发展的历史见证之一,上世纪末便淡出人们的视野;
但现如今,假如你真的见到那清澈透亮的淡绿色荧光,相信你一定会感叹当年的智慧竟能将冰冷的真空管赋予如此有生命力的色彩…

带着与辉光管同样的想法,为了赋予她新的生命,使古老的器件与现代技术相结合,这次依然把她们做成了一个个独立的显示模块,让喜爱她的朋友,把更多的精力和时间投入到创意和制作当中,而不必去烦恼如何产生高压、如何整理逻辑驱动、如何焊接和制作……同样,无需硬件基础,只需要一个最简单的单片机系统,或者Arduino系统板,4条IO口线,即可完成对几十个荧光管的显示控制,而且每个模块还带有一个RGB全彩LED可做背光显示。

首先还是要感谢aGuegu在第一时间协助测试荧光管显示模块,并开发了Arduino类库。

荧光显示(VFD | Vacuum Fluorescent Display)技术 在现如今仍旧大量应用,只不过已经不是这种真空电子管的表现形式,现代的VFD显示屏频频出现在高端的音响设备、智能终端以及高档仪器仪表上。荧光管内部有灯丝,在低电压作用下会向外射出电子,同时荧光管内部有一个栅极,电子在栅极的吸引下会加速射向阳极,当电子撞击到阳极上覆盖的荧光粉后,即发出淡绿色的可见光;相对辉光管来说,她的驱动电压更低,更安全,而且寿命和辉光管相比大大延长,所以,在荧光管诞生之后,辉光管便渐渐让位与她。

这次的荧光管显示模块采用的是前苏联产的IV-22(ИВ-22)型荧光数码管,类似长方体的玻璃管身,长32mm,宽22mm,顶部显示方式,插拔式12脚封装。这些荧光数码管在上世纪冷战时期曾经被前苏联大量制造,现如今都静静的躺在某些仓库的冰冷角落,但她的材料特性决定了她的保质期将是无限的长。
IV-22荧光数码管具有以下特点:
1、属于真空器件。内部为真空,不像辉光管内部有惰性气体。
2、较低的驱动电压。IV-22荧光管需要两组工作电压,一是灯丝电压,1v-1.3v之间,交直流均可;二是阳极和栅极电压,直流22v-30v左右,相对于辉光管来讲,驱动电压更低,更安全;并且工作电流很小,灯丝电流100mA左右,阳极电流在4-10mA之间。
3、采用7段显示排列。可任意组合为0-9的数字,或者简单的英文字母。
4、柔和的淡绿色。荧光粉固有的色彩,在阳光下依然能够清晰可变,清澈透亮但不刺眼。

还是先看一下实物图片,然后再做详细介绍吧:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8615.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8591.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8594.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8607.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8601.jpg

QS30-1辉光管显示模块一样,每一个IV-22荧光管显示模块都能够独立工作,采用非常简单的方式进行级联和组合,每一个模块都具有输入和输出接口,组合起来以后可以形成一个整体,而且只需要4个IO即可完成对每一个显示模块的显示内容以及RGB LED背景灯的颜色控制。

所有这些设计思想,只有一个目的:让每一个喜欢荧光管的朋友,都能按照自己的想法和创意组合出满意的作品和应用,而无需关心荧光管本身复杂的电源系统和驱动模块。

IV-22荧光管显示模块外形尺寸:
长50mm 宽36mm;
底座厚度16mm 底部到辉光管顶部高度45mm。

IV-22荧光管显示模块有以下特点:
1、采用前苏联产的IV-22(ИВ-22)型荧光数码管作为显示器件(管身长32mm,宽22mm,显示内容为数字0-9,显示颜色为淡绿色)。
2、采用12根镀金管脚插针,插拔方便可靠。
3、插拔式无限级联设计,无需复杂的接线方式。
4、板载RGB全彩LED,每个模块可独立控制LED发光颜色。
5、提供非常简单的通讯接口,仅需要4个IO,可连接任意一款单片机最小系统版或Arduino主板。
6、5V直流供电,每个模块的工作电流小于250mA。
7、提供DC5V输出,可为单片机主板或Arduino主板直接供电,无需另配电源。
8、双层双面镀金电路板,尽显艺术气息。
9、采用激光切割进口亚克力材料制作上下面板,搭配不锈钢内六角螺丝。
10、全部采用SMT Robot进行贴片焊接和加工,工艺精良。

有了QS30-1辉光管显示模块的设计经验,结合IV-22荧光管的驱动电路特点,这次仅使用了一块PCB即满足以上所有功能和特点,并且PCB尺寸也减小到50mm x 36mm。
下面是设计阶段PCB电路板的3D模型:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/PCB1.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/PCB2.jpg

每一个器件的选型,无论是参数值还是封装尺寸,均经过反复的研究和确定,PCB的每一寸空间均得到充分的利用,在保证高效率的完成功能要求之外,也不乏保持美观工整的器件布局。
并且,电路板都采用拼版设计,SMT Roboot自动化贴片焊接,欣赏一下考究的PCB板吧:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8629.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8538.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8580.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8553.jpg

从电路板上不难看出,元器件密度较大,对布线水平有一定考验,并且在有限的PCB空间内,所有器件均为单面布局。

从电路设计上来讲,该模块由以下部分组成:

一、高效率DC-DC升压模块
IV-22荧光数码管的栅极和阳极需要直流22v-30v的高压,经过反复试验,栅极和阳极电压为26v的时候显示状态极佳,但模块本身的输入电压为直流5v,所以为了使荧光管正常工作,必不可少的需要一组5v-26v的DC-DC升压电路模块。
该模块依然由经典的MC34063A及外围器件组成,能够提供高效率的升压转换,而且无需外扩MOS管,整个模块在工作的时候几乎不发热。

二、灯丝供电的LDO电源模块
IV-22荧光数码管内部有两根灯丝,这两根灯丝需要1v-1.3v左右的电压来驱动,这里取了典型值1.2v,由于电压低,电流不大,这里只采用了一颗LDO线性稳压器件来为灯丝提供1.2v的工作电压。
该模块由ASM1117-1.2及简单的外围器件组成。

三、荧光管级联驱动模块
由于该模块采用了方便的级联模式设计,所以必须具备可级联扩展的驱动电路来做荧光管、RGB LED的级联控制。
这里依旧采用了经典的74HC595作为数据层的可级联扩展的驱动器件,并且在模块两侧引出了串入串出接口,可方便的插拔进行无限扩展。

四、RGB LED显示器件
在荧光管底部,该模块还安装了一颗5050大小规格的RGB全彩LED器件,并且可以通过级联通讯控制,调节为任意色彩。

五、保护电路
每个模块都有一套独立的电源系统和逻辑控制单元,互相不会干扰,但输入电源却是共享的。为了防止某个模块的电源系统出现问题导致其他模块无法正常工作,每一个模块都具备了电源保护电路,一旦出现过流、电源接反等现象,保护电路会保护板上其他器件不受损坏,同时不影响其他模块的正常工作。

来看一下系统连接图:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/System.jpg

整个系统集成在一块50mm x 36mm的双面PCB板上,PCB板与我的其他作品风格一样:深蓝色的PCB板、沉金工艺……
并且采用了单面布局设计,级联采用了单排8pin的排针和排母,对接相当方便。

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8633.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8553.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8552.jpg

在固定荧光管的设计上,没有选用IV-22专用的管座,而是选用了镀金的管脚针。
IV-22荧光管的管脚直径为1mm,镀金的管脚插针能够完美的配合来固定荧光管,节省空间的同时保证连接可靠。
在镀金管脚插针的中心,是一颗5050封装的RGB LED,为荧光管提供各种颜色的背景光。

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8542.jpg

电路板底面没有焊接任何器件,并且所有的焊点都经过了两次焊接,保证焊点圆滑光亮、美观大方。
同时也在级联输入接口和输出接口的旁边用镀金字符标识了每一个端口的功能。

从接口上大家可以看到,无论是输入还是输出端口,均有两个+5V电源和两个GND,这是为了能够使外接5V电源给该模块供电的同时,也能够有接口将5V电源输出给单片机系统板或者Arduino系统板使用。

电路板正面所有的元器件高度均低于9mm,所以四个六角铜柱选用的是9mm长度的:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8554.jpg

由于只用了一块PCB板,从上面看下去,能够直接看到所有的电子元器件;虽然只有1片PCB板,但顶部和底部依然都采用了亚克力板作为上下面板,将整个电路部分保护起来。
进口的3mm透明亚克力板加上激光切割工艺,同样无论从效果上还是精度上,都与荧光管显示模块完美搭配。

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8551.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8547.jpg

固定上下面板的螺丝依然采用了M3的不锈钢内六角螺丝。
在底板与PCB板之间,也依然是1mm厚度的尼龙垫片作支撑。

下面看一下完整的IV-22荧光管模块各角度图片:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8532.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8533.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8538.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8537.jpg

在荧光管的左侧,大家可以留意到,有一片银黑色的东西,其实这就是位于管身内部的消气剂。
当荧光管内部保持为真空状态时,消气剂的颜色即为目前所看到的银黑色;但一旦有空气进入,或者荧光管漏气、破裂,消气剂将会立即变为白色,表明当前的这颗荧光管已经不是真空状态,无法正常使用了,这也是判断荧光管是否损坏的最直接的标准。

级联过程非常简单,只需要将荧光管显示模块的输入和输出端口一一对应的插在一起即可。
所有的控制IO,还有电源,均通过输入和输出接口连接在一起。

看一下输入和输出连接接口,输入接口采用的是单排2.54mm间距的排针。
输出接口采用的是单排2.54mm间距的排母:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8549.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8548.jpg

下面是级联插在一起以后的效果:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8544.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8545.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8622.jpg

该模块采用的输入电压为直流5V,为了精确测量每个模块的功耗,在这里我才用了一个C8051F340单片机的最小系统板。
通过这个单片机系统版,我打开了荧光管显示模块的背光、数字显示,单个模块和单片机控制板的总耗电电流是280mA。
而10个模块和单片机控制板连接在一起的工作电流为2.45A。

假设每个模块耗电电流为x,单片机控制板的耗电电流为y,通过两个等式:
x + y = 280
10x + y = 2450
——————–
得出每个模块的工作电流在241mA左右。

请看下图:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8594.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8601.jpg

把N多个荧光管显示模块级联之后,我们可以通过程序来对每一个模块所显示的数字、背景LED的颜色进行独立控制:

【数字显示】:支持关闭或者显示数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9;
【字符显示】:支持简单的数字显示,例如a、b、c、d、e、f 等;
【背景灯显示】:支持关闭或者显示白色、紫色、青色、黄色、蓝色、绿色、红色;

同时,还可以通过对OE端口的PWM控制,实现模块的数字和RGB LED背景灯光的亮度控制。

有了以上这些功能和显示方式,我们可以使用她们实现我们几乎所有有关数字显示类型的应用,例如:时钟、计算器、计数器、计时器等等……

并且如果有兴趣的话,还可以实现类似我的IV-11水晶城堡电子时钟上所实现的淡入淡出特效,相关视频请查看IV-11水晶城堡荧光电子时钟的视频帖。

下面请欣赏一系列美图吧~~~

下图右边是专门为荧光管显示模块所设计的转接板,后续会有专门的博文对其进行介绍。
并且由图中的连接线可以看出来,除了通讯用的4个端口之外,还从模块引出了一对红黑线给单片机系统板轻松供电:

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8576.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8572.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8569.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8595.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8618.jpg

非常喜欢IV-22荧光管显示模块在夜晚的显示效果,由于RGB背景灯光被亚克力面板所折射,使得每个荧光管显示模块均被色彩所渲染,耀眼夺目。
尤其是我们使用程序来控制RGB背景色彩进行不停变换的时候,更能带人进入梦幻的色彩斑斓的意境……

并且从上图看到,这些拍照用的荧光管都是上世纪91年生产的,也就是前苏联被解体的那一年……
虽然没有辉光管的年代久远,但足以让人多出一份敬畏…

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8604.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8605.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8596.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8619.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8614.jpg

http://i1237.photobucket.com/albums/ff474/yanzeyuan/Nixie%20Module%20for%20Arduino/IV-22%20VFD%20Module/2012_12_12_IMG_8615.jpg

亦许当年荧光管的创造者并未预见到几十年之后荧光管将会有如此色彩斑斓的应用……
把她们从冰冷的军用器件仓库角落挖掘出来,也代表着赋予了她们新的生命……

而最让人欣慰的无疑还是,有了这些荧光管显示模块,我们可以自由的放飞自己的创意,并且实现它,不用再为如何点亮和驱动荧光管望而却步。

IV-22荧光管显示模块支持任何类型的单片机控制板,只需要4个IO端口,即可实现完全控制;

该模块的Datasheet下载地址请移步:

IV-22VFDModuleUserManual_CH
IV-22VFDModuleUserManual_EN

同时,该模块已经完美应用于Arduino系统,由aGuegu制作了完美的VFD Module驱动类库,并且完全开源。
详情请见Library for IV-22 VDF Tube module for Arduino

特别感谢:aGuegu

资源下载链接:https://github.com/aguegu/nixie-tube/tree/master/VFDTube

DIY是一种享受,享受的是过程,更是结果……

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=

软硬件设计:严泽远
QQ:6626209
Mobile:18602007878
WebSite:www.nixieclock.org
E-mail:yanzeyuan@163.com

6 comments to IV-22 VFD Module | 荧光管显示模块 介绍【硬件篇】

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>