功能特點
我製作的這款圓盤指針式VFD時鐘的主要功能、特點如下：
(1)獨特的圓形錶盤指針式VFD顯示屏，和我們平常見到的錶盤式鐘錶一樣，時針、分針、秒針動態顯示;
(2)充分利用錶盤的顯示特點，非常獨特也容易理解的時鐘調整方式;
(3)3組獨立鬧鐘設置;
(4)特有的硬件開、關機設計、3組自動開關機控制時間和亮度分別設置;
(5)紅外遙控功能，配專門定製的小巧遙控器，同時也可以利用按鍵進行操作;
(6)手動、自動光控設置，顯示亮度8級隨環境光線變化自動調整，保證在晚上亮度調低，在環境光線強時自動調高，更加智能、人性化。
一直以來，我對各種各樣的VFD器件都比較感興趣，看到比較特別、少見的，我都會想辦法弄來收藏。較早之前偶然在國外的某個網站看到過一款普通鐘錶圓盤指針式的VFD屏，甚是喜歡，可惜只有流口水的份，價格昂貴不說，買回來也不方便。後來一個朋友從國外給我帶了一個回來，且不說多少錢，單這份真誠就很讓我感動，雖然很不捨對它動“刀”動“槍”的，可是隻有好好設計，將它驅動起來，才能更好地呈現它的美麗和驚豔。
圖20.1 VFD48-1202FN屏
表20.1 引腳連接
圓盤指針式VFD時鐘屏
這個屏的型號是VFD48-1202FN(見圖20.1)，實際生產廠商是國內的京東方，可能是國外定製產品，屏上的指針發藍光，亮度為700cd/m2。VFD48-1202FN屏有幾個比較重要的參數，我們在製作中需要注意：
(1)燈絲採用交流2.4V電壓供電，450mA電流，呵呵，這個感覺有點生猛，在電路設計時可能相對困難點;
(2)陽極、柵極電壓是直流30V，電流最大為30mA;
(3)為了防止漏光，保證陽極、柵極截止電壓是直流-7V，引腳連接見表20.1。
圖20.2所示是顯示內容和顯示屏筆段的對應關係，要驅動顯示屏，這個必須要搞懂。從圖中可以看出，總共有“12個數字(12段)+S筆劃(60段)+R筆劃(60段)+圓點(1段)=133段”需要驅動。陽極筆劃的連接關係也需要在製作前搞清楚。
圖20.2 VFD屏顯示內容和顯示屏筆段的對應關係
元件的選型及電路設計
1. VFD驅動芯片的選擇
因為VFD屏是個動態驅動屏，總共有133個顯示段需要驅動，如果採用分立元件驅動，電路會比較複雜，顯示效果也會不盡人意，所以第一考慮是選用VFD專用驅動芯片。市面上比較常用的VFD驅動芯片有PT6311、PT6312、PT6315、HT16511、HT16512、HT16515等，但是因為PT6312、HT16512總共只能驅動22位(陽極+柵極=22)，而VFD48-1202FN屏實際是28位(陽極+柵極=28)，所以只能選用PT6311、PT6315、HT16511、HT16515來驅動才能滿足要求。PT6311、HT16511是52腳的QFP封裝，感覺比較大，最後選擇了44腳的QFP封裝的PT6315。
PT6315提供了28個高壓驅動引腳，8級亮度調節、2×16矩陣鍵盤掃描、4LED指示驅動等功能，且能提供+5V高電平和-30V低電平的驅動電平，其中包括16個陽極(Segment)引腳、4個柵極(Grid)引腳、8個段/柵複用引腳。PT6315與外部處理器的通信主要由4線串行接口完成，接口信號線分別為時鐘CLK、選通STB、數據輸入DIN、數據輸出DOUT。實際使用中常常把DIN和DOUT連接起來，這樣它只佔用了處理器的3個I/O端口。在本設計中，因為並沒有使用PT6315的鍵盤掃描功能，所以未用DOUT引腳。在實際驅動中，MCU完成對PT6315的設置後，無需再耗費資源對顯示做更多的處理，只需要在顯示內容變化時更新顯示數據即可。PT6315可以靈活地配置為16陽極/12柵極輸出至24陽極/4柵極輸出中的任何一種顯示模式。在不同顯示模式下所能驅動的顯示段數也不同，PT6315最大能驅動192個顯示段，所以完全能滿足VFD48-1202FN屏133個顯示段的驅動要求。
2. 燈絲電壓、驅動高壓
接觸過VFD的朋友應該都很清楚，燈絲和陽極、柵極電壓的產生是個令業餘製作者比較頭疼的部分，在這裡我仔細介紹一下2.4V交流燈絲電壓和柵極、陽極-30V直流電壓的產生。一般家用產品上的VFD驅動電源是廠家直接在電源變壓器上定製燈絲和高壓繞組，非常簡單。業餘條件下，也可以繞制變壓器或者通過DC-DC變換來獲取，筆者通過小型的EE13高頻磁芯繞制變壓器，配合振盪電路來一次性產生隔離的燈絲交流電壓和負直流高壓。
圖20.3 燈絲交流電壓和負高壓直流產生電路
圖20.3中VT1、VT2組成推輓式振盪電路,實際上是一個自激推輓式DC-AC升壓變換電路，由阻尼電感L1、2個NPN三極管、2個基極電阻、1個諧振電容及有3個繞組的變壓器組成。L1一端接變壓器B1的中心抽頭，提供一個高交流輸入阻抗，R9、R10為VT1、VT2提供基極直流偏置，變壓器初級有3個繞組，初級、主繞組雙線並繞，中心軸頭4腳連接到電感L1，3腳和5腳連功率三極管VT1和VT2的集電極，反饋繞組1腳和2腳連VT1和VT2的基極。由於開關管VT1、VT2的性能不可能完全一樣，所以在接通電源的瞬間，Vcc向開關管基極注入的電流也不可能絕對平衡，流經兩開關管集電極的電流也不可能完全一致。引起變壓器的磁通變化在反饋繞組產生一定的感應電勢，形成正反饋，產生振盪，在次級繞組感應出高頻電壓。
VFD48-1202FN屏的燈絲驅動電流基本要求達到0.5A，所以在繞制線圈時對漆包線的線徑有一定要求。在實際製作中，經反覆試驗，最後確定EE13變壓器的繞制數據如下：①-②7T 0.15mm，③-④-⑤8T×2 0.35mm，⑧-⑨-⑩ 2T×2 0.35mm，⑥-⑦ 45T 0.15mm。從圖20.3中可以看出，次級2組繞組是隔離的，燈絲採用雙繞組變壓器中間抽頭的方式，負壓通過VD1整流、濾波得到，通過VD2連接到燈絲中間抽頭，這個VD2的作用就是產生截止電壓，消除VFD屏漏光的現象，VD2一般選擇2倍燈絲電壓的穩壓二極管即可。
3. 特色設計
實時時鐘部分採用DS1302加高精度晶體和備用鋰電池來保證時鐘的走時精度和穩定可靠。MCU選擇的是AVR的ATMEGA8L，在這裡也充分利用了其特點。
(1)通過輸入捕獲ICP來實現紅外遙控的解碼，精確、可靠，通過小型遙控器可以操作本時鐘所有功能。
(2)通過ADC實時檢測環境光線的強度，實時調整顯示屏顯示亮度，以達到智能光控的目的。
(3)特有的硬件自動開關機功能，在關閉時完全切斷VFD燈絲電壓和負高壓，真正意義上做到節能以及對VFD屏的保護。
經過實際驗證，最終完整的電路設計如圖20.4所示，圖20.5為該電路的PCB圖。表20.2所示的是元件明細表。
程序分析、設計
這個製作的電路不算複雜，我充分利用了AVR單片機的硬件資源。這裡，我對程序的幾個比較特別的地方進行一下說明。
圖20.4 完整的電路圖
圖20.5 電路的PCB圖，實際尺寸圖中有顯示
1. PT6315驅動
PT6315 和 PT6311/PT6312一樣，都是四線串口驅動，程序上大同小異，這裡不再贅述。看到這個屏，可能好多朋友都和筆者開始見到時的感覺一樣，怎樣才能比較簡單地驅動呢?因為這個屏既不是數字顯示，也談不上圖形點陣顯示，初看是一頭霧水。最後，仔細研究了陽極筆劃的連接表後，採用了直接查表法，先根據錶盤建查找表。
PT6315採用12Grid(柵極)×16Segment(陽極)的顯示模式，剛好與VFD48-1202FN 的 G1 ～ G12 和 P1～P16完全對應，大大簡化了VFD48-1202FN的驅動程序，只需按照所建立的查找表，根據時、分、秒的值設置VFD48-1202FN相應的Grid和Segment，即可點亮VFD48-1202FN的相應指針。可以毫不誇張地說，整個VFD48-1202FN的顯示驅動最核心的部分，就是這個查找表。
表20.2 元件明細表
2. ICP捕獲
採用單片機定時器1的ICP輸入捕捉功能來實現紅外輸入接收，源程序可到qq群657864614進行下載。
這個紅外ICP輸入捕獲和解碼部分的程序，有兩點比較獨特的設計。
(1)使用INFRARED_TABLE指針變量來指向真正的遙控器按鍵碼錶，其初始值指向程序中靜態定義的默認碼錶，在主程序初始化main函數中，可以從EEPROM中讀取預先存儲的碼錶，這樣就為遙控器按鍵學習功能以及適應不同編碼的遙控器提供了可能。
(2)檢測了相鄰兩次按鍵之間的時間間隔(通過其他的定時器計時)，當時間間隔足夠短，這兩次按鍵將會組合成一個單獨輸入。例如，在設置時間的分鐘值時，先按“3”，再按“0”，如果這兩次按鍵足夠接近，則直接解碼為數值30，這就避免了傳統的設計當中需要在兩次按鍵中加入其他的控制按鍵才能夠分別設置分鐘的十位和個位的麻煩。
3. ADC
通過ADC檢測光敏電阻上電壓的變化，可以很方便地粗略檢測環境光的強度，控制VFD根據環境變化自動調節亮度的功能。ADC的相關代碼也很簡單，為保證測量值的可靠性，一般是連續測量幾次之後取平均值進行平滑處理。
另外，在自動調節亮度時，由於光敏電阻具有非線性特性，而且人眼對光線強度的變化感知也是非線性的，就需要在編制程序上進行一些必要的處理。事先建立分段線性表，然後根據測量的ADC值，採用分段線性近似的方法來計算需要調節的亮度值。當然，實際應用中也可以採取其他的計算方法，不過相對而言，分段線性計算是最簡單的，對VFD應用也足夠了。
圖20.6 安裝VFD屏的那一面電路板
圖20.7 將VFD屏安裝在電路板上
安裝調試
1. 時鐘的焊接、安裝
很多人可能和我一樣比較喜歡黑色的PCB，雖然貴點，製作週期長點，但和VFD屏顯示的淡淡藍綠色光輝還是很相配的，所以我這次做板也選擇了黑色。
根據電路圖，安裝好所有的元件(可以根據實際需要安裝3.5mm或者5.5mm電源插座)。
電路正面見圖20.6，驅動芯片PT6315在VFD顯示屏下面，需要先焊接好。在安裝VFD屏之前，先在電路板上貼上2mm厚的雙面泡沫膠，用於做緩衝、固定、抗振，如圖20.7所示。
焊接完後，仔細檢查有無漏焊、短路的地方。為了美觀和檢查方便，可以使用無水酒精或者專用洗板水，將松香、助焊劑等有機雜質清洗乾淨。
這個指針式VFD時鐘設計供電為5V直流，使用5V/1A的直流穩壓電源或者開關電源就能滿足要求。
焊接好後，實物如圖20.8、圖20.9所示，幾個關鍵部分說明如下。
(1)時鐘備份鋰電使用CR1220 3V一次性鋰電，作為實時時鐘芯片DS1302在停電時的走時備用電源，保證時鐘掉電不停走;
(2)5V電源插座可以選擇3.5mm或5.5mm插座，基本上能兼容大部分市面上常用的電源插頭;
(3)3 ～5V有源蜂鳴器，作為3組鬧鐘的響鈴之用 ;
圖20.8 裝上時鐘備用鋰電池
圖20.9 安裝好VFD屏後的電路實物
(4)需要安裝外殼時，為了使4個設置按鍵比較方便地安裝，留有按鍵外接插座;
(5)ISP編程插座是為了方便程序的升級或者重新燒寫;
(6)一體化紅外接收頭，對紅外遙控器發送的信號進行接收處理，安裝外殼時需開孔或者使用不遮擋紅外線的過濾片進行處理;
(7)光敏電阻對環境光線的變化實時進行響應，安裝外殼時需開孔或者使用透明材料片進行透光處理。
2.時鐘的通電、測試
將時鐘接通5V電源，先看看燈絲電壓是否正常，因為是高頻交流電路，普通萬用表無法準確測量，有條件的愛好者可以使用帶讀數的示波器，看電壓波形的峰-峰值電壓是否在正常範圍。業餘條件下可以使用簡單的方法判斷：在黑暗處看燈絲微紅即可。如果太紅或者太暗，可以通過調整電阻R11、R12來改變燈絲電壓，直到調整到正常範圍。
通電後正常的顯示狀態如圖20.10所示，圖中指示的時間是上午11點14分37秒。其中，最短的代表時針，每12分鐘會跳動一小格。秒針、分針都是長的指針，分鐘每分鐘跳動一小格，秒針是每秒跳動一小格。右上角那個圓點亮時代表時鐘顯示的是下午時間，不亮時則表示顯示的時間是上午時間。
3.時鐘的調整、設置
圖20.10 正常顯示狀態
圖20.11 遙控器
一般現在做的電子時鐘不管是條形或是點陣，時間顯示基本都是數字，在設置或操作時就非常直觀、方便。而這款時鐘雖然是錶盤指針式的顯示方式，但和傳統意義上的獨立三根指針的鐘表還是有很大區別的。如果要實現多種功能，設置上可能就會相對複雜點，不是那麼好理解。在規劃功能設置時，經反覆思考，在保證功能的前提下，儘量使調整、設置簡單容易。
從圖20.10中可以看出，顯示上，內圈和外圈是獨立的，都有60段，在設置時定義其為0～59數值用，比如設置HH：MM(小時：分鐘)時間時，內圈的數值是代表HH，外圈的數值是代表MM。另外，錶盤上1～12個數字，筆者以12個數字代表12個設置項的指示。
所有設置都可用遙控器來操作。遙控器是我定製的21按鍵的小型紅外遙控器，如圖20.11所示，看上去比較直觀，箭頭是上、下、左、右的移動，SET是進入設置，OK就是確認。當然，使用通用的遙控器也可以，只需要在程序裡面改譯下紅外遙控器鍵值就可以了，只是操作起來可能不夠直觀。製作、編程工作完成後，在使用這個時鐘之前，還需要進行一些設置，具體的設置方法本文不再詳述。
製作總結
這次製作多功能指針式VFD時鐘，讓筆者又一次好好學習了AVR單片機的一些特色功能，不僅完成了一件作品，還讓我提高了對單片機的應用能力。其實，各種VFD屏原理是一樣的，區別就在燈絲電壓和顯示段數的不同，將本文介紹的這個製作理解了，相信驅動其他的VFD屏也就很簡單了。
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