第五章 世界线变动率探测仪 | Divergence Meter 电路方案设计与制作

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:

1. 辉光管显示模块(由8颗辉光管组成)。
2. 辉光管驱动模块(驱动8颗辉光管显示)。
3. 主控模块(以MCU为中心,实现所有功能的逻辑控制)。
4. 升压电路模块(实现将USB 5V或锂电池电压高效的升压到170V辉光管工作电压,并能达到驱动8颗辉光管的驱动功率)。
5. 锂电池及电池保护模块(安装锂电池并具备过充、过放保护)。
6. 锂电池充电管理模块(实现内置锂电池的充电功能,并具备充电保护及充电指示)。
7. 智能电源管理模块(能够使主电路模块自由的在锂电池和USB电源之间进行选择,并能将外接电源按需分配给充电模块和主工作电路)。
8. 实时时钟模块(精准的RTC模块及断电计时后备电池)。
9. 红外线接收模块(接收红外线信号)。
10. 语音报时及音效模块(这里实现的语音报时不仅仅是整点报时,而是任意时刻都可以报时,且要存储多国语言的语音,并按照不同国家语言的报时语法来说出当前时刻,还有各种操作的音效)。
11. 音频功放模块(驱动喇叭播放声音)。
12. 电源开关、USB接口、GPS接口。

由于本项目暂未开源,所以本章不会透露电路细节,还请朋友们理解,下图是Divergence Meter的实际电路板与各部分模块的介绍:

在最终的电路版本定稿之前,针对每一个电路模块我都做了大量的实验与测试,在确认可行性之后,才会将他们整合在一起。

由于是采用了前所未有的锂电池供电,所以每个电路模块需要考虑的首要问题就是低功耗的问题。从MCU开始,到RTC甚至语音模块、功放模块,都需要以节省电力为主。

最重要的部分还是升压电路模块部分,升压效率直接影响到了锂电池的使用寿命。由于USB输入为DC5V,我们还要考虑由于USB线缆和电源适配器的问题输入可能会有压降,另外,锂电池在电量较低的情况下电池电压可能会降低到3.2V等等这些原因,直接由DC3V升压到170V,压差非常大,而且8颗辉光管全部工作时输出功率会达到170v/18mA相当于3W的,即便DC-DC转换效率为100%,在电池压降到DC3V的时候,输入端的电流也大于1A了,所以整个实验过程并不是一帆风顺的,各种障碍、各种难题各种失败的实验结果摆在眼前的时候往往会让人心灰意冷。刚开始的时候我并不认为这是一个问题,因为我早在一年多以前就量产了QS30-1 Nixie Module v2.0.0 她采用的就是USB DC5V供电,且能在USB压降到4.6V的时候顺利启动。但最终实验结果还是给了我一个不小的打击,无论如何调整,始终无法胜任DC3V-DC170V 负载3W的驱动能力,不得不使我尝试新的技术新的方案。

在确定了大致方案以后,我整合了第一块实验电路板,主要用于调试和测量这个新的DC-DC方案在实际应用中的表现,说白了就是调整升压效率。可曾想到第一版实验电路是这样的:

板上按照实际使用环境搭载了8颗B-5441A辉光管,前面也介绍过B-5441A这款辉光管,它是制作Divergence Meter的最合适的辉光管。而且板上还搭载了MCU和RTC模块,是便一套完整的测试平台,利用这个平台,我要将这套DC-DC升压电路的效率调到最高,并且在这个平台上测试其稳定性,尤其是在锂电池供电情况下的稳定性。

下面是测试过程中的部分测试记录,从最初的60.62%转换效率到最终的87.79%转换效率,这套绿色的测试平台几乎在一个多月时间里每天晚上陪伴着我。

87.79%的测试结果到底如何?既然使用锂电池供电,那么锂电池又能使用多长时间呢?
我知道大家都很关心这个问题。数据看起来很枯燥,也并没有很直观的感觉,我还是用最简单的方式来告诉大家这套高效升压电路最终的perfermance:

两节松下NCR18650B锂电池能够使用超过10个小时

以下是利用延时摄影拍摄的Timlapes短片,从电池充满电开始开机使用,从中午一直到晚上10点还能继续工作,连续工作超过10个小时:

这里值得一提的是下面几个电路模块(下图照片均为实拍)

1. 辉光管驱动模块
本次Divergence Meter作品的辉光管驱动延续 IN-14(前苏联ИН-14)辉光钟v2版 的驱动方式,使用专用芯片进行静态驱动,如果全部采用三极管来驱动则需要96颗三极管和96颗电阻,相比三极管阵列来讲,使用专用芯片能大大降低功耗,并且静态驱动能使显示效果更稳定,完全没有频闪的情况出现。只是驱动8颗辉光管要用到两颗专用芯片,成本会高出一些,并且需要更大的空间,当然,空间方面还是要看Layout的水平。
2. 升压电路模块
此次升压电路的特点刚刚也已经介绍过,从锂电池升压到170V效率很不错,两节松下的NCR18650B锂电池能够供电长达10个小时。
3. 锂电池及保护电路
这两节锂电池是使用电池座来固定,并且为了方便拆装,我特意定制了一条电池拉带来方便拆卸锂电池。这两节电池是并联方式连接,所以使用一节锂电池也可以正常工作。锂电池供电所带来的最大问题就是要增加三个电路部分:1. 锂电池保护电路。2. 锂电池充电管理电路。 3. 电源管理电路。由于这里使用的是18650型号的锂电池,它是没有内置锂电池保护电路的,所以我需要将锂电池保护电路集成在电路板上。
4. 电源管理及充电管理电路
如果仅仅使用USB供电,那么这一块电路将能够被省略了,整个电源部分将变得非常简单。但内置了锂电池以后,锂电池充电管理电路便必不可少。锂电池充电一定要遵循 预充电->恒流充电->恒压充电->涓流充电 四个过程,这样才能保证锂电池寿命。另外,这套电源管理电路还具备动态功率路径管理功能,支持深度放电电池充电和使用小功率电源适配器(例如电脑USB口)充电的应用,并且能够自动功率补偿、调整充电电流和系统电流的分配关系,最大程度的保证系统的正常供电工作。同时还具备电池温度监测功能,在电池处于过冷或者过热的环境中充电时进行保护,避免危险情况发生,并且还具有充电时间设置功能,避免长时间充电而损坏电池,所以,我们24小时插着USB电源都没问题。
5. 精密板对板连接器
使用精密的板对板连接器在辉光钟的应用中还是第一次,由于顶部的万能电路板外壳均匀分布了很多孔,并不能布置很多的电路元件,所以主板是独立的一块PCB电路板,主板与顶部辉光管电路板之间的连接就需要一个可靠的连接器。而这两个连接器将负责从主板连接100条线路到顶部的辉光管电路板。整个Divergence Meter的厚度只有30mm,锂电池电池座已经占去了21mm,去除底部支架加上电源板的厚度以后,我只有6mm可以利用,也就是说即便我使用1mm厚度的PCB,去掉主电路板和辉光管焊接电路板以后,所有的元器件高度不能高于4mm,所以本次选用的这款连接器合高仅为3.5mm,这也将影响所有器件的选型,高度要控制在3.5mm以下。
6. 语音电路及音频功放
本次作品最大的特点是实现了四国语言的语音报时以及音效操作,所以区别于以往的作品,我去掉了单调的蜂鸣器,而采用了一套可编程的语音电路芯片,配合MCU的逻辑控制,能够按照不同国家的语言特点来实时报时。并且还内置了一些Steins;Gate的经典声音片段和音乐片段,这些声音数据都存储在一片32M的Flash存储器里。
7. 喇叭
既然有了语音电路和音频功放,那么除此之外,喇叭成为了整个效果的重点。我测试了很多手机用的、平板电脑用的多种型号和尺寸的喇叭,最终选用了这款50mm x 30mm的方形内磁式纸盆中频喇叭。喇叭尺寸太小的话高频声音会非常明显,而报时的人声语音大多在中频范围内,这样还原度会比较真实。
8. 高精度RTC模块
对于DS3231SN相信很多朋友并不陌生,我目前所有的作品都使用了DS3231SN作为精准的时钟源,它内置温度补偿晶体振荡器(TCXO),能够提供<±2ppm的精度,通俗一点讲也就是时钟走一年的最大误差在1分钟以内,这个精度比我们普通的家用时钟精准数十倍,这也就是为什么DS3231SN芯片在工业领域被大量应用。

更多电路部分的高清实拍细节照片:

快捷导航:

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第一章 Divergence Meter 结构方案设计
第二章 Divergence Meter 辉光管选型与型号对比
第三章 Divergence Meter 外观零件选型与细节对比
第四章 Divergence Meter 外壳制作过程
第五章 Divergence Meter 电路方案设计与制作
第六章 Divergence Meter 电路板组装与调试
第七章 Divergence Meter 功能设计与操作说明
第八章 Divergence Meter 包装设计及附件选型

 

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