维多利亚式时钟显示器：350 个 LED 和一块控制所有这些 LED 的控制板

在之前题为“再现维多利亚式 21 段显示器”的博客中，我讨论了我和我的 DIY 伙伴、杰出的创客 Steve Manley 是如何对 21 段维多利亚式显示器进行现代演绎的。与使用照亮原始显示器的小型白炽灯泡相反，我们使用了三色 WS2812B LED，例如 Adafruit Industries LLC 的 4684 器件。

同样，我们没有使用在过去来说是最先进的复杂机电开关技术来控制一切，而是使用了现代的微控制器单元 (MCU)，这对维多利亚时代的工程师和发明家来说是令人费解的。

Steve 和我都在构建 10 个字符的显示器。为便于了解，图 1 所示为 Steve 构建的早期显示器，这款显示器使用了经过黄铜色漆处理的 3D 打印前面板。在本例中，Steve 正在运行一个简单的测试模式，用于检查所有的 LED 是否工作正常。

图 1：早期的 10 字符实现了对维多利亚式 21 段显示器的现代诠释。（图片来源：Steve Manley）

你会发现，Steve 的伪铜面板分为两部分，因为他的 3D 打印机无法处理整个 20 in.（英寸）的显示器跨度。另外，Steve 在前面板上围绕着字符外边缘选择了 10 个大“孔”。相比之下，我的前面板是用激光切割出来的一块亚克力，表面为黄铜色（图 2）。

图 2：10 字符显示器的主要元件。前面是激光切割亚克力伪黄铜面板。面板后侧是 10 个 3D 打印的外壳，均为高 64 mm、宽 50 mm、厚 10 mm。顶部是 10 块 LED 板，从后面看是 5 个两块板构成的子组件。（图片来源：Max Maxfield）

每块电路板均为宽 50 mm，高 64 mm。这些电路板分为五个子组件，每个子组件又包含两块电路板。还有 10 个 3D 打印外壳，大小与电路板相同，厚 10 mm。以我的激光切割伪铜面板为例，激光器能够切割出形成每个字符的 21 段，且在各段之间留下 0.7 mm 条状间隙。

我和 Steve 过去也做过类似项目，通常是以友好竞争的方式，比如我们几年前制作的精巧的计时器（参见 用 Arduino 构建一个精巧的计时器）。问题是，尽管我们以前就基本规则达成了一致，比如 LED 的数量和相对位置，但在诸如 MCU、实时时钟 (RTC) 等方面，我们通常都是各自发挥。这样做的问题是我们几乎不可能分享和交换代码。

而且每次我们开始一个新项目的工作时，我们都会做些无用功，浪费时间、精力。因此在这种情况下，我们决定构建一块单独的控制板，用来驱动我们各自的显示器。此外，我们决定构建一个具有所有必要“附属配件”的控制板，以增强我们未来的项目。

了解我们的维多利亚式显示器控制板

在经过大量的头脑风暴、探讨和折中后，我们想出了一个能满足我们所有需求的设计。最好的分享方法也许是直接展示我们的电路板（图 3），然后再简单地介绍各个部分。

位于左侧中间位置的器件是主处理器，我们采用了 SparkFun Electronics 提供的具有 DEV-14058 形式的 Teensy 3.6。该器件采用 32 位 Arm Cortex-M4F 处理器，运行速度为 180 MHz（可以超频到 240 MHz），具有 1 MB 闪存，256 KB SRAM 和 4KB EEPROM。

图 3：这是我们的第一版控制板，从左侧基于 Arm Cortex-M4F 内核的 DEV-14058 Teensy 3.6 处理器板开始介绍。（图片来源：Steve Manley）

位于电路板远端且在 Teensy 后部的两个电位器用来控制我们想要的任何东西，如显示器亮度或对声音的灵敏度。Teensy 右侧是针座，用于访问 MCU 的非专用输入/输出 (I/O) 引脚。

Teensy 的前面是一颗 CR2032 纽扣电池，用于当系统电源切断时维持 RTC 工作。在 CR2032 右侧是针座，可以将更多基于 I2C 的传感器和致动器接入电路板连接。CR2032 左侧是 8 个三针针座组，每个针座包括一个 0 V 引脚、一个 5 V 引脚和一个数据引脚。每个引脚都可驱动一串 WS2812 LED。另外，Teensy 有一个相关的 Octo LED 库，可以同时驱动八串 LED。

在我们的 21 段显示器中，七个较短的显示段各有一个 LED，而 14 个较长的显示段各有两个 LED，因此每个字符有 35 个 LED，10 个字符的显示器总共有 350 个 LED。每个 LED 需要 24 字节的数据，用于加载 LED 的时钟运行频率为 800 kHz。这意味着，如果我们从一个单片机引脚驱动所有 LED，将需要 ((35 x 10) x 24)/800,000 = 10.5 (ms) 来加载该 LED 链。

相比之下，使用 Teensy Octo 库并将我们的 10 个字符划分为 5 个双字符对，就可以将这个时间减少到只有 ((35 x 2) x 24)/800,000 = 2.1 ms。更好的是，Octo 库可以使用 Teensy 的直接内存访问 (DMA) 引擎在后台执行该上传操作，从而减轻主处理器负荷，使其更多地执行其他任务，比如计算我们巧妙惊人的灯光效果。

板子中间的五个瞬动按钮开关用于访问菜单，选择模式、效果以及输入数值（如日期和时间）。也可以使用安装在板子边缘的绿色螺纹端子块，将五个机柜安装式开关并联连接。我们还决定添加红外 (IR) 控制功能，可用于执行与按钮相同的任务。红外检测器位于中间按钮的下方。该按钮上方是一个光敏电阻器 (LDR)，可用于根据环境光控制显示器的亮度。在 LDR 上面有一个驻极体麦克风，我们可以用这种麦克风使显示器对声音的反应。所有这些器件都可以从电路板上拆下来安装在机柜上，并通过绿色的螺纹端子块与电路板连接。

在电路板的右侧，我们可以看到 Seeed Technology 的 102010328 Seeeduino XIAO。虽然该器件只有邮票大小，但 XIAO 采用了 32 位 Arm Cortex-M0+处理器内核 ATSAMD21G18，该内核处理器的运行频率为 48MHz，含 256KB 闪存和 64KB SRAM。XIAO 可用于处理任何红外控制信号并馈送给 Teensy。尽管这可能被认为是矫枉过正（因为我们几乎肯定可以使用 Teensy 直接处理红外信号），但我们认为，从长远来看“分而治之”的方法将使我们的生活变得更容易。

所有表面贴装器件 (SMD) 都位于电路板下面。这些器件包括 DS3231SN# RTC（Maxim Integrated 提供）、SGTL5000XNAA3R2 低功耗立体声音频编解码器（NXP 提供） 、LS119-S 开关去抖芯片（LogiSwitch 提供）以及用作电压电平转换器的74HCT245 八进制总线收发器（Toshiba Electronic Devices and Storage Corp 提供）。

图 4 所示红色控制板安装在我的显示器背面。图中还显示了一块绿色配电板，板上包括一个强大的 3.3 V 稳压器，可在需要时用来驱动任何额外的 3.3 V 传感器。

图 4：组装一个 10 字符显示器。红色控制板如图右侧显示。左侧的绿色电路板用于给控制板和显示器分配电源。（图片来源：Max Maxfield）

显示器右侧是一块蓝色原型板，此处未显示。所有这些意味着我们有红、绿、蓝 (RGB) 板，这会“激发我的幽默感”。理想情况下，配电板应该是红色，而控制板是绿色，但由于未知原因，如果在红色基板上使用配电所需的更厚的铜材，电路板厂会要求我们大幅提高成本，所以为了节约成本我们做了我们必须做的事情。

控制板的编程

下一步才是真正有趣的地方，因为我们要开始编写显示器的驱动代码了。我们的方法是，计划使用含有背景色、前景色和掩码的概念。当掩码位被设置为 0 时，相应的段显示背景色；当同一掩码位被设置为 1 时，该段显示前景色。这里有趣的是，前景色和背景色都可以是静态颜色，如黑色、白色或其他颜色。或者，前景色和背景色都可以是动态的，例如，在显示器上荡漾的彩虹条纹。

总结

我们还打算用这些新造的维多利亚式时钟显示器进行许多其他实验。例如，使用麦克风和音频编解码芯片，我们可以实现音频反应模式（另见 Arduino 声控工艺品 第 1 部分和第 2 部分）。我想尝试的另一件事是，通过向左或向右倾斜显示器，使滚动的文本在显示器上有“滑动”能力（参见在业余项目中增加运动和方向检测功能）。

最后，我一直在想 George Lafayette Mason，他在 1898 年为最初的 21 段显示器申请了专利，距我写下这些文字已有 123 年了。我想知道，如果 George 能够看到我们利用今天的技术对他的想法所做的一切，他会怎么想呢。