【赛博考古】自制通用型VFD屏幕显示驱动模块

前言

前段时间从某黄色软件收了一箱全新的 VFD（Vacuum Fluorescent Display）屏幕，型号为 Futaba 13-BT-247GN ，由日本双葉電子工業株式会社生产制造，这是目前为数不多的还在生产全新VFD屏幕显示模块的厂家之一，国内较为知名的有BOE（京东方），主要生产点阵类的VFD显示模块。

VFD屏比较流行于20世纪中后期到本世纪初期，以前主要是应用于一些专业电子音响设备、Karaoke机、家电设备、车载显示设备以及超市收银柜台用的收银机等设备中。与辉光管类似，由于其独特的成像原理及显示效果颇具复古未来主义美学的特点，所以深受一部分人的喜爱。

作者本次买到的这一款是定制显示内容的屏幕，拥有13个栅极和70个阳极，看显示内容大概率是某种专业音响设备或者舞台播放设备之类的东西上使用的，显示内容相当多且复杂。

施工中……

经过一番搜寻，最终找到了使用该屏幕的设备DMC-2000，证明了我上面的猜想：

该屏幕的13个栅极分区与引脚对应关系如下：

5x7点阵部分每个栅极分区含上下两个字符各35个，总计70个像素，依次对应阳极的70个引脚，阳极引脚编号顺序按照点阵部分从左至右、从上至下依次按行扫描过去，即SEG1引脚对应点阵的最左上角的像素点，SEG70对应点阵最右下的像素点。

所有栅极对应区域共用这70个阳极。

1. VFD屏幕的工作原理

想要驱动VFD屏幕，那就要先了解一下VFD屏幕的工作原理。

VFD显示结构主要分为3个部分：灯丝（也叫丝极、阴极）、栅极、阳极。灯丝通电后提供电子，栅极加正高压吸引电子，阳极加正高压使电子撞击到其表面涂敷的荧光材料上激发出可见光，从而点亮该阳极区域所对应的显示内容。

上图中一根根像琴弦一样的细线就是灯丝，下面的片状金属网就是栅极

根据高中物理电学中所学的电场部分相关知识很容易就能分析这个过程：

栅极与灯丝之间的电势差产生由栅极指向灯丝的电场；
灯丝通电后发射的电子沿着电场线的反方向，向栅极加速飞去；
此时若阳极被施以栅极相同的电压，则栅极与阳极之间的空间近似形成了一个等势体；
网状的栅极近似于一个等势面，飞向网状孔洞的电子进入等势体内部匀速继续向前飞向下方的阳极，并点亮其表面涂敷的荧光物质；
被栅极网状线捕获的电子则直接沿栅极回流到高压电源正极。

所以，简单来说想要点亮这屏幕就需要提供一个低压电源和一个高压电源，并且这两个电压源本身并不需要很高的带载能力，各1A的电流输出能力就足以满足这种中等尺寸VFD屏幕得功耗需求了。

但是驱动VFD屏幕时普遍存在两个技术难点：

阴阳屏：说人话就是屏幕两端显示内容的亮度不均匀；
鬼影：在本该显示内容“A”的地方由于电路设计或者驱动算法的问题导致邻近区域的内容“B”也会显示在内容“A”的区域上，现象一般是相对内容“A”亮度更淡的残影。

（这里应该有两张图……）

1.1 交流灯丝供电

难点1产生的原因是由于VFD的灯丝需要加热到约600°C~700°C以发射电子，该过程依赖于均匀的温度分布，而直流电流会在灯丝（钨丝-氧化物涂层复合材料）长度方向产生电位梯度：

V_{drop} = I_{filament} \times R_{filament}

电位梯度导致热电子发射不均匀 → 高电势端发射更活跃 → 高电势端的显示内容更亮。

解决难点1的普遍方法是使用交流灯丝供电，也就是使灯丝两端的电势差交替变化，这样可以弥补两端电位梯度带来的电子发射不均。

但是在硬件实现的过程中有一个点必须要注意，那就是要保证交流灯丝供电电压的最大值必须始终低于栅极和阳极驱动电平，这样才能产生从栅极指向灯丝方向的电场，从而吸引电子跑向栅极所在区域。所以，交流灯丝供电的电压相对地平面（GND）的参考零点一定要固定，一般我们会使用一个交流零点偏置电路来实现这个需求，具体电路会在后面介绍。

1.2 阳极脉宽控制

难点2产生的原因是栅极点亮到熄灭并不是瞬间完成的，这个时间取决于屏幕寄生电荷、硬件电路设计以及栅极驱动电压，一般来说大约是几us到几十us。在点亮相邻的区块内容时由于上一个区块的栅极并没有完全放电而仍然具有一定吸引电子的能力，并且所有栅极区块对应内容共用该屏幕的70个阳极，所以当刷新率较高时就会导致当前刷新区块的内容在上一个刷新区块中产生较淡的残影。

为了解决这个问题，可以在硬件与软件两方面进行优化：

1.2.1 硬件下拉电阻

为栅极对应的引脚加入下拉电阻，来加快其放电速度。

但是这样做有个弊端，就是下拉电阻如果阻值过大，就会导致放电过程较慢效果不明显，而阻值太小又有可能导致其静态功耗过高，增加不必要的发热和能耗。

所以经过尝试，我认为使用100K~220K的电阻较为合适。

1.2.2 软件插黑帧

插黑帧就是在每个区块刷新内容的前面插入一个没有任何显示内容的帧，这样就可以在刷新当前区块内容前提供一定时间来等待前一个区块的栅极放电完毕（消隐时间）。同时，在保证刷新率固定的前提下（有效帧时间与黑帧时间之和为定值）根据有效帧和插入黑帧的比值也可以实现屏幕显示内容的亮度控制，可以说是一举两得。

这个方法在很多LCD屏幕控制算法中也有应用，用于缓解高刷屏幕的过冲（OD），感兴趣的可以自行查阅相关资料了解一下，在此不多赘述。

该小节副标题“阳极脉宽控制”中的脉宽指的就是这个比值，这是目前消除鬼影较常见同时效果也较好的一个办法。在很多集成型的VFD驱动芯片中就内置了这个功能，可以通过指令实现多个挡位的脉宽切换。

注

除了以上两种消除鬼影的方法外，其实还有一种在交流灯丝供电电路的硬件上进行改进，为灯丝增加一个截止电压的方法，会一并在下一节的硬件电路设计部分详细介绍。

驱动器设计

理论分析完毕，接下来就是实际的软硬件实现了。

硬件电路

根据前文分析我们可以知道，驱动一般VFD首先需要高低压两个电源，并且低压灯丝供电需要使用交流。此外栅极与阳极的控制还需要支持高压高速开关的逻辑器件。

电源

高压电源部分输出电压一般在30~40V左右为宜，低压灯丝供电一般仅需2.6~3V即可。

这边主电源输入我使用CH224K诱骗PD输出15/20V电压，这样后级高压部分Boost电路的压力会相对小一些。低压部分Buck电路直接使用常见的集成MOS同步Buck芯片即可

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