玩点不一样的！卡罗拉车机VFD屏实现灰度显示

oakweasley

VFD显示屏玩了快10年了，数码之家也有了新站了。感慨~
自从大学第一次接触到这玩意就立刻爱上其效果，无奈兜里没钱，矿坛老陈VFD只收了10块左右（现在遇上先50块起），现已绝迹。还有一些可玩性不佳的字符型屏、二十几块数码管屏、零零散散的老旧则武25664、12864等等，质量普遍不高，都是有明显老化痕迹的旧玩意儿。VFD以难驱动著称，需要逻辑3.3-5V，灯丝交流浮地，阳极栅极正高压或负高压，所以在老一些的屏幕上（2010年以前）普遍采用单管或双管自激的变压器方案，对于自动控制出身的我而言，费劲研究变压器是十分不明智的举动，于是这类屏幕都直接购买模组。后来出现了DC-DC驱动器+倍压整流的邪道，省去了变压器，灯丝用BTL推挽或电桥的方案，可以简化供电设计，也是我在使用的方案之一。

随后就到了今天的主角：卡罗拉车机VFD。这是一款256*50的点阵，已经有不少朋友玩过，例如：
https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=119776

https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=81043



车机前面板


背后样式


电路板正面


这款屏幕的特点有三：
首先是全新。256*50的图形点阵，但完全没有烧蚀痕迹，模组买到手的时候还有保护膜，可见品质非常好；
其次是低价。目前咸鱼30元就能买到，货源相对充足（直接入手40块，留着慢慢玩）；
第三是先进。VFD玻璃屏的集成度按从低到高分为三类：栅极阳极直接引出的全外置驱动式，集成了高压移位寄存器和锁存器的半集成式，集成了完整的扫描控制器的全集成式。这块屏幕就是全集成式，用MCU和屏玻璃直接通信就好像在和以前的一个模组通信一样，方便至极。并且！该屏幕的灯丝是直流驱动！DIY玩家要跪谢双叶了。VFD驱动难，核心就在浮地的灯丝上，这家伙直接直流驱动，一了百了（后会附上示波器图）。

模组详细数据的链接都来自这位网友的帖子（在此感谢，大大减少了研究指令的时间）：https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=119776

一般而言接下来的事情就是写个代码往屏幕上写数据就行了，但是我想玩点不一样的东西，毕竟STM32 CM3和CM4的性能都很强大，只是推个SPI就显得十分牛刀杀鸡。u8g2虽然好用但毕竟是第三方的东西，享受不到自己搭建软件框架的乐趣，于是我决定在这个屏幕上，实现还没人玩过的灰度显示。
先上效果（肉眼看效果会比图上好很多，毕竟扫描周期和手机曝光时间有些接近）：


显示4级灰度条纹，从左往右对应灰度值1-4

对于LED这类器件，灰度显示的原理统统是PWM占空比控制，原因是占空比描述了一个周期方波信号的RMS值比例，通过合理控制正脉宽，就能实现调光的效果。
为了不用公式把事情搞复杂，这里引出两个概念即可：
PWM频率fPWM，和PWM分辨率N（N值代表一个PWM周期内最多可有的占空比数量）
PWM频率是PWM信号的基频，就是我们所说的帧率；而PWM分辨率则是指正脉宽宽度变化的最小单位。则我们可以看到，当给定一个PWM频率和PWM分辨率的时候，可以得到产生PWM所使用的计数器最低时钟频率 fclk=fPWM * (N-1)
反之，当fclk固定，给出fPWM，即可得到最大可能拥有的分辨率。

那这和实现灰度有什么关系呢？
前面提到过，卡罗拉车机这款屏幕是一款全集成屏，意味着我无法随意控制它的扫描方式和扫描频率，而为了肉眼看到的画面没有闪烁感，fPWM不可能太低，意味着N不可能太大。那么有没有办法知道这块屏幕的扫描频率呢？相似屏的手册中给出了答案：


这块屏有一个INT输出引脚，一旦配置打开，它将输出当前激活的扫描单元的位置信息：是第一个单元就为有效，否则为无效。可见，记录这个引脚的频率，就可以获得整块显示屏的扫描频率。上700元收购的二手老旧示波器（我想买泰克的2.5Gsps四通，然而它要4W块）：


扫描频率是189Hz左右（上方的波形），这就是上文提到的fclk。

此时如果切出5级灰度，即N=5，那么fPWM就是fclk / (5 - 1) ≈ 45Hz，属于一个比较可接受的范围。灰度级再多，屏幕就会不可忽视地闪烁。

接下来就是设计软件部分了，板子采用2012年买的STM32F103VET，配一个盗版STlink，先用旧板子初步测试
底层负责将显示数据pour到VFD上，需要有强实时性，同时不能占用CPU。其逻辑如下：
1、准备显存。256*50按每列7个字节安排，一屏数据需要256*7=1792字节，非零的灰度等级有N-1=4级，因此需要1792*4=7168字节的RAM作为底层显存。这部分显存是为最底层的数据收发使用的，其layout完全是为了发送效率，不便于高层API读写操作，因此还需要一个高层所使用的通用显存，为每个点单独分配一个uint8_t，这部分需要256*50=12800字节；
2、我们在每一次第一个扫描单元被激活的时候启动整屏数据的传输，传输完毕之后等待下一个激活信号的到来。这个激活信号就是INT，使用GPIO外部中断触发；
3、每次进入外部中断以后，等待上次传输结束（其实根本不用等），然后更新下一次要发送的数据位置和数据长度，拉低片选NCS，发送写显示数据指令，等待指令解码（按GP1212手册需要等待360ns，实测不等待也可以），并启动DMA传输；
4、等待DMA传输完成中断，拉高NCS，结束一次数据发送。
*这块屏幕SPI时钟最高频率在4.2MHz左右，再高会传输失败，因此传送完整屏的数据大约需要3.2ms左右。可见如果只用CPU而不用DMA，STM32的CPU将有超过一半的时间都在负责数据外发（SPI传输使用等待方式），或者频繁响应SPI传输中断（SPI传输使用中断方式），使用效率将大打折扣。

中层负责将通用显存中的数据映射到底层的显存中，需要把每一个字节切片，然后按照一定的pattern分发到底层的显存中，这部分很难用硬件完成，需要占用CPU，好在编译器优化开到O3也是非常快的。

直接上代码片段：

1. /** Split into subframes */
   
2.         ppixel = vfd_px.pix;
   
3.         for (ii = 0; ii < VFD_COL_CNT; ++ii)
   
4.   {
   
5.     for (jj = 0; jj < VFD_ROW_CNT; ++jj)
   
6.     {
   
7.       /** Edit below to change subframe layout */
   
8.       idxf = jj & 1 ? (ii & 1) ^ 0x03 : (ii & 1);
   
9.       pxbuf = *ppixel++;
   
10.                         
    
11.       for (i = 0; i < VFD_GRAYSCALE_CNT; ++i)
    
12.       {
    
13.         if (pxbuf)
    
14.         {
    
15.           vfd_frame.sframe[idxf].vmem[ii*VFD_BYTES_PER_COL + jj / 8] |= 1 << (jj % 8);
    
16.           pxbuf--;
    
17.         }
    
18.         else
    
19.           vfd_frame.sframe[idxf].vmem[ii*VFD_BYTES_PER_COL + jj / 8] &= ~(1 << (jj % 8));
    
20.                                 
    
21.       if (++idxf == VFD_GRAYSCALE_CNT)
    
22.         idxf = 0;
    
23.     }
    
24.   }
    
25.         }

复制代码

中层同时还要负责提供一些图形和文字API给上层调用，例如显示个数字、画个圆、画个方块之类的，现在还没写，后续会慢慢实现（工作太忙。。。）。
中层的数据链路为：上层调用 -> 中层API -> 中层显存 -> 切片 -> 底层显存 -> VFD

灰度实现大概就这么多。
终极目的是用它做一个通用显示器，可以和树莓派对接显示终端，或者换STM32F4以后做一个复古游戏机什么的。别老做时钟万年历啦！现在都用手机，不如做一点与众不同的东西嘛。
后续会在GitHub上分享代码。如果希望了解更多的细节，可以邮件联系我：532493398@qq.com

哈哈牛

又遇上大神。。。:praise::praise::praise:

meanshy

玩出花了

杨雪飞

兄弟可否把供电方案分享一下

慕名而来

手里貌似也有一个类似的车机，原本想在无聊的时候拆了玩玩，看楼主的介绍不想动手了、挺难弄的样子。

z2091981

这个就厉害了

oakweasley

杨雪飞 发表于 2020-9-21 09:41
兄弟可否把供电方案分享一下

用的就是板子上自带的供电，先测软件

oakweasley

慕名而来 发表于 2020-9-21 10:05
手里貌似也有一个类似的车机，原本想在无聊的时候拆了玩玩，看楼主的介绍不想动手了、挺难弄的样子。 ...

花样有花样玩法  普通也有普通的嘛，随自己想要的方法折腾就行

杨雪飞

oakweasley 发表于 2020-9-23 01:01
用的就是板子上自带的供电，先测软件

楼主这一段-----   后来出现了DC-DC驱动器+倍压整流的邪道，省去了变压器，灯丝用BTL推挽或电桥的方案，可以简化供电设计，也是我在使用的方案之一。

电路是否真的可以比双管自激变压器方式简洁吗？想看一下。

慕名而来

oakweasley 发表于 2020-9-23 01:02
花样有花样玩法  普通也有普通的嘛，随自己想要的方法折腾就行

力所能及的玩玩单片机算了，太难弄的就不动了，硬是费力的弄就只有累而没有快乐了。

oakweasley

杨雪飞 发表于 2020-9-23 08:45
楼主这一段-----   后来出现了DC-DC驱动器+倍压整流的邪道，省去了变压器，灯丝用BTL推挽或电桥的方案， ...

问题不在元件数量的多少，开关变压器的计算是个经验活，如果是搞电源的人应该变压器+自激简单，但对于其他领域的人而言，dc-dc学习成本更低，成功率高，灯丝直接用LM9022就行了

杨雪飞

oakweasley 发表于 2020-9-23 20:33
问题不在元件数量的多少，开关变压器的计算是个经验活，如果是搞电源的人应该变压器+自激简单，但对于其 ...

这个9022居然是灯丝和负压全都可以输出的，但是输入需要个方波。还得需要单片机或者555之类的给个输入。

nonzhe

厉害啊，看图是从左到右灰度的，能变成从上到下的灰度条吗？是否每个像素都能独立控制不同灰度而不互相影响呢?

bg4iww

VFD的屏显示效果好看是好看，但是存在老化问题，这个比较纠结

oakweasley

nonzhe 发表于 2020-9-24 10:24
厉害啊，看图是从左到右灰度的，能变成从上到下的灰度条吗？是否每个像素都能独立控制不同灰度而不互相影响 ...

本身就是每个像素的灰度都能控制啊，显示彩条只是为了便于说明问题

oakweasley

bg4iww 发表于 2020-9-24 11:55
VFD的屏显示效果好看是好看，但是存在老化问题，这个比较纠结

放心，只要不是7*24小时一直工作，爱好者而言不会有明显的老化问题

nonzhe

oakweasley 发表于 2020-9-25 08:51
本身就是每个像素的灰度都能控制啊，显示彩条只是为了便于说明问题

就是说必须要有cpu不断进行刷新，不停写入数据？原来是写入后会锁定的，不写也会显示的

oakweasley

nonzhe 发表于 2020-9-25 10:56
就是说必须要有cpu不断进行刷新，不停写入数据？原来是写入后会锁定的，不写也会显示的 ...

不写入也会保持的，但是对于实现灰度的场景就必须持续刷新了，否则灰度就显示不出来了

nonzhe

oakweasley 发表于 2020-9-26 10:57
不写入也会保持的，但是对于实现灰度的场景就必须持续刷新了，否则灰度就显示不出来了 ...

那其实不用int也可以，不断写入就可以了啊

liebedemi

还没玩过，先收藏了，示波器不错。。比我的DS 8608A强多了