ベクトル描画機＃3

エンジニアとして、私は常にロシアの実用的な新製品の命名方法に感銘を受けてきました。一部の欧米のマーケティング担当者は、小さなCRTベースのゲームデバイスをVectormatic Sc​​ore-Master 3000と呼ぶかもしれませんが、ロシア人はより意味のある名前を使用する傾向があります。そして、ベクトルレンダリングシステムを作成する3番目の試みが検討されているので、彼らはそれを「ベクトル描画マシン＃3」と呼ぶでしょう。エンジニア-マーケタースコア（15：0）。



何年も前に、私は小さなオシロスコープのカソード光線管を使用してアナログ時計を表示するというアイデアに魅了されました。もちろん、この取り組みは美的な喜びを約束しましたが、同時にそれはばかげているように見えました。機械的接続のチェーンを、2つの高電圧差動増幅器と独立した高電圧電源を駆動するマイクロコンピューターに置き換えて、大まかに言って、時間を伝えるというアイデアは少しばかげているように見えました。

同時に、プロセスの各段階の実装に関するすべての作業を考慮に入れ、その結果、見栄えの良いデバイスを入手し、設計の詳細な調査を追加すると、プロジェクト全体がその記念碑性をすでに示唆しています。



提案された多くのタスクのいずれも、それ自体に特別な問題はありませんでしたが、全体として見ると、個々のコンポーネントの相互関係の複雑さを明らかにするのは、そのようなプロジェクトにすべてを統合する段階です。



この記事では、CRTに基づく単純な宇宙ゲームの組み立てについて説明します。このプロジェクトでは、アーキテクチャについて説明し、設計ノート、使用する機器、電子機器、高電圧電源の実装、およびエンクロージャをレーザー切断するプロセスに関するコメントを提供します。

一般情報

本体は、レーザーカットを使用したMDFボードから作られた2つの主要部品から組み立てられています。上部には、CRTディスプレイ、高電圧電源、偏向チャネル、および対応するキャリブレータが収納されています。下部には、ジョイスティック、ボタン、マイクロコンピューター、低電圧電源があります。背面には電源コネクタとUSBミニBソケットがあり、ケースの上部は下部に配置され、全体の構造はジョイスティックとボタンのあるフラットなコントロールパネルで固定されています。

CRT

使用されているCRTはD7-16Gで、直径76mm強、長さ160mmで、バッテリー電源で動作します。私は何年も前に、同様のプロジェクトのためにこれらのCRTを3つ購入しました。









CRT D7-16G



11ピンコネクタタイプ30-232を使用しているため、見つけるのが非常に困難です。少し検討した結果、アクリルのシートからレーザーでブランクを切り取り、ランプパネルのベースから適切なコンタクトピンを拾い上げて、自分で組み立てるというアイデアを思いつきました。









アセンブリコネクタ30-232



これを行うために、オートケッチで2つの複合ブランクを設計し、CRT接点が左側の「D」輪郭に沿って配置されるようにしました。次に、各ピースを3mmのアクリルシートから切り取り、接着しました。新しいB9Aランプパネルから接点を取り外し、接着されたワークピースに挿入し、わずかに曲げて固定しました。次に、ワイヤを端子にはんだ付けして、接続を熱収縮で絶縁しました。

高電圧電源

このユニットは、N-FETプッシュプルステージを駆動するSG3525スイッチングレギュレータと、それに続く高電圧および低電圧の2次コイルを備えた小型フェライトトランスに基づいています。高電圧側は正の半波整流器を通過して約240VDCを生成し、並列レギュレータによって210Vに低減されます。整流された電圧は偏向増幅器に供給され、約7mAを消費します。 HVの2次電圧も2倍になり、約-600V、1mAを生成して電子ガンビームにバイアスをかけます。コアを飽和させたり、磁気変位を引き起こしたりする可能性のあるDC二次巻線のバランスをとるには、正および負の整流器を使用します。



変圧器の構造は、中央の一次巻線で始まり、その後、HV二次巻線の接地された開始があり、アノード電圧下の端子で終わります。最後に、陰極線管コイルを加熱するために使用される低電圧巻線があります。この順序は、高電圧巻線と低電圧巻線の間の故障を回避するために選択されています。以上のことをすべて述べた上で、私はこのトポロジーについて考えました。おそらく、それを改良する時間が見つかるでしょう。









HVユニットと偏向装置



私は長い間フェライトアーマーコアを使用していなかったので、その導電性を完全に忘れていました。これにより、二次フェライトの上部と接地されたフェライトの間に電子アークが発生し、STN3NF06L一次側トランジスタドライバのいくつかのペアが故障しました。その理由を突き止める過程で、12V、1Aの供給にも耐え、短絡ターンで変圧器を始動できる、より安定したTO252（100A /8mΩ）のペアに交換しました。



SG3525がワイドSOICパッケージとナローSOICパッケージの両方で利用可能であることに気づきました。その結果、PCBのフットプリントは不適切であり、狭い部分は英国に注文する必要がありました。

偏向増幅器

このサブシステムの設計は困難な作業であることが判明し、SPICEシミュレーターを操作するのに多くの時間がかかり、すべてのニュアンスを理解するのに役立ちました。



簡単な仕様は次のとおりです。

• 不平衡入力0..5V
• アームあたり80Vを超えるスイングの差動出力
• 210Vの消費電流で2mA未満
• 12Vからの電源供給の可能性
• ネガティブタイヤなし
• 計算されたものに対して5°未満の位相シフトで> 500kHzの帯域幅

数日の間に、電流源を備えたカスコードプッシュプル回路から始めて、いくつかのトポロジーを学びました。最初は、静止モードのみがテストおよび最適化されました。ベースラインのDC値に達した後、ACパラメーターを取得しました。プッシュプル回路のエミッターを接続するコンデンサーは（当然のことながら）ACゲイン、周波数、位相特性に大きく影響し、明らかに、エミッター抵抗とそれに関連するドレインと強く相互作用します。



ここでは、改善点として、出力デバイスを熱的に結合することによって熱安定化を適用できます（現在はSOT-233であることを考えると、作業は簡単ではありません）。あるいは、もちろん、穴に取り付けられた対応するものに切り替えることもできます。これにより、タスクが大幅に簡素化されます。



位相シフトとゲインの依存性が少ない回路を使用するとよいでしょう。しかし、現在の単純なオプションは、多くの困難な技術的障壁を克服しているため、追加の要件は負担が大きすぎます。

コントローラボードとDAC

マイクロメータの主なタスクが数十ミリ秒ごとにベクトルペアの行を繰り返し計算することであることを考えると、これに安価で単純なオプションを使用することは合理的であるように思われました。



ATmega328PとSTmicroSTM32F103C8T6は明らかな候補でした。その結果、最初のものは、その幅広い機会と（かつての）人気のためだけに選ばれました。ボードを組み立てる過程で、意外にもバージョン「B」のコントローラーを誤って購入したことがわかりましたが、それについては後で詳しく説明します。



全体として、そのボードはシンプルで、FT232RL USBコンバーター、デュアルチャネル8ビットDAC、ジョイスティックとボタンのインターフェイス、追加のI2Cインターフェイス、および5Vレギュレーターが含まれています。 Arduino Nanoをマザーボードで使用することは可能でしたが、現在のソリューションはシンプルで接続が簡単でした。









コントローラボードとDAC



システムの要件は、1つのバスでの動作を意味するため、DACの選択が制限されます。最初は、電流出力があるように見えるTLC7528を使用しましたが、詳しく調べてみると、電圧出力モードで動作するように構成できることがわかりました。 TSH82オペレーショナルアンプと組み合わせると、最低の信号レベルでも歪みが数パーセントであるため、これは不適切な選択であることが判明しました。 DACをAD7302に置き換えることでこの問題を解決しました。AD7302は2つの電圧出力と2μsの整定時間を実装しています。









数パーセントの歪みが



問題を引き起こす可能性があります後から考えると、TLC7528の歪みは、関連するTSH82の入力コモンモード範囲が制限されていることが原因である可能性があります。これは、これらのオペアンプを取り外し、プローブを使用してオシロスコープに直接リサジューの円を描くことで簡単に確認できます。



その結果、多くの設計エラーにより、この一見単純なボードを再構築する必要がありました。DACを選択し、FT232RLを初めて使用し、対応するTSTピンをグランドに接続しませんでした。また、ボード上のUSBコネクタの接続図を間違えた（信号線を間違えた）ので、自家製のケーブルで一時的に修正しました。

新しいマイクロコントローラー、ツールボックス、ブートローダー

私が言ったように、驚くべきことに、私が以前に注文したATmega328Pは、理解できないほど人気のない「B」バリアントであることが判明しました。それらは、チップ署名を除いて、若い兄弟と完全にバイナリ互換です。ただし、新しいバージョンには、2番目のUSARTのサポートなど、多くの便利な追加機能があります。



Arduinoは、奇妙なことに、Atmelサイトでは入手できなかった最新のツールキットを提供しています。これらのツールは抽出してポータブルパッケージに組み立てる必要があったため、Arduinoフレームワークに依存しなくなりました。次に、対応するプロジェクトmakefileを更新して、新しいコントローラーとツールを参照しました。



チップの互換性を考慮して、標準のArduinoブートローダーは、インターフェイスの単純さのために選択した比較的小さなAVR Studio 4IDEを使用して新しいものにプログラムされました。新しいコントローラーのXML記述ファイルは、古いバージョンに基づいて作成する必要がありました。その結果、主な違いはその番号と対応する署名でした。



makeユーティリティを使用してプロジェクトをフラッシュし、それに応じてmakefileをフラッシュしました。このアプローチでは、「最新の」統合IDEを使用する場合のように、ツールのセットは約30MBしか使用せず、数百MBも使用しませんでした。









実際のプログラマーはIDEを使用しません

ファームウェア

このシステムは、1秒あたり約10Kのベクトルペアを描画するように設計されています。リフレッシュレートが50Hzの場合、これは200個のベクトルを描画できることを意味します。 200ベクトル（20ms）ごとに、フォアグラウンドはリストを更新する信号を受信して​​、ゲームを十分にスムーズに実行できるようにします。



システム内のいくつかのプロセスでは、ベクトルを回転させる機能が必要です。同時に、0..359度の範囲の10進値を使用することの明らかな合理性にもかかわらず、そのようなソリューションはU16を使用する必要があり、不必要に面倒です。少し考えた結果、S8（+ 127〜–128）でできるだけ多くのデータを処理することが適切であると判断しました。また、X / Y座標（8ビットDACを想定）を表現して角度（約±180度）を表現する場合にも適しています。



画面の更新はタイマー割り込みを介して行われ、DACを制御する唯一の方法です。ベクトルはpingまたはpongバッファーから読み取られ、フォアグラウンドタスクがバッファーを切り替えるまで繰り返されます。各バッファはカウンタU8から始まり、次に使用可能な書き込みポイント、続いて読み取りポイントまで続きます。その後、U8形式で保存されたX値とY値のリストが含まれます。



ジョイスティックを左右に動かすと、宇宙船の方向が変わります。船自体は、TVシリーズのスタートレックのシェブロンの4つのドットの形で表示され、その中心を中心に回転します。各ベクトルには、sinおよびcos検索、4回の乗算、および2回の加算が必要です。 1回転あたり合計37回の計算が行われ、合計で約200命令になります。宇宙船は常に最初に描画され、鼻は常に最初のベクトルペアになるため、出力バッファーでは、このベクトルペアがロケットを発射するための開始点になります。



ミサイルは、対応するボタンを押すと起動します。彼らは船の船首から飛び出し、現在のコースを続けます。同時に発射できるロケットの破壊は、小惑星と衝突したとき、または目に見える空間の半径に達したときに発生します。この飛行モデルは、船の船首と可視半径の端の間に線を引くことに基づいており、デルタXとデルタYは打ち上げ時に計算されます。デルタX / Yは、速度と同様に8.8の固定点です。









中央に出荷し、小惑星



オブジェクトの下の小惑星は、半径のあるランダムな場所に出現し、80〜140度の角度で真っ直ぐ上空を飛行します。それらが現れると、ランダムな開始位置と終了位置が生成され、それがデカルト座標に変換され、直線の問題はミサイルの場合とほとんど同じ方法で解決されます。



ロケットが小惑星に当たると、両方のエンティティが破壊され、現在のスコアカウンターが増加します。数値表示オブジェクトは、「7セグメント」ルックアップテーブルから取得されます。



すべての「重い」ゲームプレイは、入力オブジェクト（小惑星、宇宙船、7セグメント値など）を出力バッファーに追加するために使用される「スピン」機能を使用して実行されます。さらに、入力オブジェクトを回転させたり、X軸とY軸に沿ってオフセットを適用したりすることができます。同時に、2x2のエイリアン船の小隊を入力バッファーに追加し、それらをグループとして展開してから描画することを妨げるものは何もありません。

機械部品

この宇宙機器の美学を与えるには、はるかに多くの努力が必要でしたが、プロセス自体は私が予想していたよりもはるかに面白いことが判明しました。当初、CRT本体の傾斜は計画よりも著しく低く、最終的には、上部と下部を適切に接続できるように、スライド式保持セグメントを切断する方法を見つけるのに数時間かかりました。









一次設計



文字通り数度で大きな違いが生まれます。私は、最終的にどれだけの美的変化があったか、そして最初のバージョンが最も展開された角度でどのように曲がっていたかに驚いていました。









キット：CRTモジュール、ケースの下部セグメント、および



CRTのフロントパネルカバーは、コンパートメントの上部に接着された丸いMDFブラケットで固定されています。内側から、これらのブラケットは接着剤ベースで弾性発泡ゴムで覆われています。









ハウジングロックとプリント回路基板のマーキングが付いた空のCRT前面



写真からは、ジョイスティックとボタンを備えたコントロールパネルがCRTモジュールをしっかりと固定し、後方に引き出されないようにしていることがわかりません。

船体設計に使用されるパッケージ

上半身と下半身のセグメントの初期設計には、拡張機能「The LaserCutBox」を備えたInkscapeエディターが使用されました。鋸歯状のノッチのみがこれらのセグメントのバンドルとして機能しました。最終的なテンプレートをInkscapeからAutosketchにコピーして貼り付け、必要なすべての改善を行いました。



70Wのレーザーカッターを使用してMDFブランクをカットしました。作業サイクルは十分に速いことが判明し、代替の設計アイデアを同時に試すことが可能になりました。

結論

予想通り、このプロジェクトでは、おそらく内蔵のマイクロコントローラーを除いて、すべてが私の通常の経験を超えていることが判明したため、私は多くのことを学ぶことができました。



明らかに、このベクトルレンダリングデバイスに基づいて、さまざまなゲームやアプリケーションを開発できます。これまでのところ、アナログクロックを表示するという私の長年のアイデアを実現したので、（I2Cを介して）同期モジュールをボードに追加したいと思います。可能な改善の残りは徐々に導入されます。



もちろん、下品な間違いは、USB mini B回路の間違いであり、電圧出力モードで電流出力を備えたDACを使用する最初の失敗でした。しかし、そうでなければ、そのようなユニットを再組み立てした場合に他に何を修正するかさえわかりません。



現在のプロジェクトでは、視野を広げることを含め、すべての目標が達成されました。その間、よくあることですが、いくつかの驚きがありました。



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