迟来的承诺：设计制作一款基于”云“技术的现代级电子管图示仪

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 19:43:02

（一）前言

许久之前，偶见咱台湾同胞发表了一篇采用PC串口操控的电子管图示仪制作帖，并基于其足够的技术底气以不菲的售价击退了众多的大陆追随者。当时年轻气盛的我在帖子中立下Flag，表示自己设计制作一台这种基于脉冲模式硬件架构的“玩具”并不需要那么离谱的售价。。。。。。

然鹅，许多年过去了，自己被现实的残酷拍晕了千百回。为生活所迫，不但没有去实践自己曾经许下的诺言，更是放马南山，尘封烙铁，洗手上岸，十多年间竟再无DIY任何一台机器，空余众多的胆机制作材料在厚厚的尘土中落寞，包括那些曾经高价团购的天狗牛桥本牛们，更别说那些在车库独处一隅无人问津的形形色色光怪陆离的廉价玻璃管了，而曾经那些一日不见如隔三秋的DIY机器们，甚至鲜有开声呻吟的时候。。。。。。

感谢祖国的大好盛世啊，历经辣么多年的生活浮沉和江湖历练，现如今，我终于可以衣食无忧的过上了温饱奔小康的幸福生活，但听起来似乎离退休的日子好像也不那么遥远了。。。。。。相信再过几年自己估计即将步入手无翻机之力而做机只能靠YY的境界了，想想曾经为之狂热的音响DIY，若说这些年还有些啥遗憾的，除了那些还躺在尘土中没有成机的DIY材料们，一直耿耿于怀的，也就数这个当年信誓旦旦许下的“空炮”了，尽管当时应该估计可能没有谁会把这个“空炮”当真的。。。。。。

在那些全城静默的特殊日子里，在那个大雨滂沱的夜，当我独倚窗台，思索着明天该去团购抢些什么维持生计的时候，当年放过的那个“空炮”突然跳进了我的脑海，思绪也瞬间从油盐柴米的日常琐碎中挣脱出来，浮游于“空炮”的周围而久久无法散去。。。。。。作为资深技术宅，当有灵光乍现的时候，总没有什么比尽快记录这些灵感更重要的了，那些瞬间产生的各种“实现方案”永远都会是他们心目中的那些个唇红齿白。。。。。。

于是乎，二十分钟后就有了下面的这张系统总体方案框图，而这个系统框图，从那时起就成为了那个“攻城狮”之后日子里魂牵梦绕的“月亮女神”。。。。。。（待续：（二）硬件篇）

硬件系统方案

补充内容 (2023-10-19 22:51):
17 楼更新300B实测图和云服务功能一瞥

补充内容 (2023-11-8 16:14):
24 楼更新完整机器形态和300B特性曲线完整扫描视频

补充内容 (2024-9-13 10:59):
33楼更新最终的产品形态，感谢各位的关注！

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 19:43:58

本帖最后由独孤垂钓2023 于 2023-10-13 19:53 编辑

（二）硬件

画图容易实现难，万丈高楼平地起全靠地基打的齐，对于一个软硬件一体的产品，硬件是基础，软件是核心，所以，一切的一切，始于硬件这个基础。。。。。。而最先开始的，便是各个子电路的方案验证。感谢祖国这么多年来对于制造业的大力扶持，国内电子行业的蓬勃迅猛发展使得像我这样总是懒于做电路仿真的“伪”工程师们有了以较小的金钱代价，用几次实际PCB打样来验证电路设计的可能，毕竟仿真并非实物，仿真可能存在偏差，所以有机会可以直接用实物验证电路的时候还要仿真干什么呢。。。。。。

整机采用+24V直流安全电压供电，不用220V交流电入机，一方面安全考虑，驾驭市电引入产品，还是需要一定的勇气和经验，风险大大滴；另一方面可以避免市电引入产生的大量EMI/EMC处理问题，可以简化设计，使得内部走线和信号传输更加干净，同时可以大幅减小整机的外观尺寸。总之好处多多，电源扔给专业的电源厂家设计制作，让专业的人做专业的事，你好我好才是真的大家好嘛。。。。。。

2.1 辅助电源设计
辅助电源设计比较简单，主体采用反向SEPIC拓扑，DC +24V输入，产生+/-12V固定电压，然后通过三端线性稳压产生+/-5V，给模拟电路供电。同时通过另外一路BUCK电路产生+5V和+3.3V，给数字电路供电。
不要三版，不要两版，只需一版PCB打样就定稿。。。。。。

2.2 灯丝电源设计
灯丝电源设计也比较简单，采用常规的BUCK拓扑，增加模拟调压控制接口，在DAC控制下实现0-24V输出调节，灯丝电压和电流的检测采用专门的高侧（High Side）电压电流检测传感器直接读取到实际的灯丝电压和电流参数，比采用低侧用采样电阻加运放反向放大后再进行换算的方式精确很多。

灯丝最大电流被设计为3A，最大功率20W，灯丝过载检测通过软件实现。硬件电路的PWM控制器内部自带电流过载检测和保护功能，所以软件检测的实时性要求木有辣么的高。

目前的设计，不支持灯丝电源外部接入功能，灯丝超过3A电流或高于24V电压的大管子，阳极电压估摸着也很高，哎呦喂，算了，太危险，安全第一，辣么大的灯泡，咱还是看看算了。。。。。。

灯丝电源打样了三版，哎，有点衰，先是用了高侧的电流检测，然后觉得可以用低侧电阻采样方式省点成本，踩雷了，然后又回到了高侧电压电流传感器的方案，净做无用功不说还浪费了不少时间和小钱钱，我真想狠狠抽自己几个大嘴巴子。。。。。。

2.3 栅极负压供电设计
栅极负压供电的设计过程，是一个悲伤的故事。。。。。。

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 19:54:07

三楼待更。。。

xzx010 · 发表于 2023-10-13 19:58:36

前排占座……

radio988931 · 发表于 2023-10-13 20:30:16

座板凳等后续

NANDIAN6 · 发表于 2023-10-13 20:34:51

冰冻三尺非一日之寒，藏龙卧虎。楼主的东西多，请如数抖出来，谢谢。

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 21:04:56

xzx010 发表于 2023-10-13 19:58
前排占座……

谢谢鼓励

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 21:05:27

NANDIAN6 发表于 2023-10-13 20:34
冰冻三尺非一日之寒，藏龙卧虎。楼主的东西多，请如数抖出来，谢谢。

谢谢鼓励，慢慢整理哈。。。

牛哥土炮 · 发表于 2023-10-13 21:10:49

支持楼主，在不影响知识产权的前提下，别掖着藏着，都分享出来~~~

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-13 21:32:38

牛哥土炮发表于 2023-10-13 21:10
支持楼主，在不影响知识产权的前提下，别掖着藏着，都分享出来~~~

整理中哈，写小论文呢。。。

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-15 14:15:07

二楼编辑不了了，继续：

---------------------- 正文 --------------------------

栅极负压供电打样了四版之多，历经的硬件实现方案包括但不局限于：SEPIC可调负压输出，SEPIC可调负压+线性跟随输出，隔离电源浮地高压运放等等，而之所以说是一个悲伤的故事，是因为每一版的电路单独测试的时候都是正常达到设计要求的，而等到集成到完整的电路中进行完整电路的PCB打样和SMT之后，发现栅极负压供电总有那么点不太对。。。。。。所以，单独的栅极电路打样做了四版，而她也废掉了三版完整电路的PCB打样和SMT，每次完整电路的PCB和SMT打样可是价格不菲哇，那时候的我，几乎已经肯定快要到崩溃的边缘了。。。。。。

好在没放弃，为了心中的那一片“白月光”，我必须要坚持，坚持再坚持。。。。。。

第四版的打样电路中，在把辅助电源，灯丝电源，栅极负压电源和一个管座设计成一起后进行实际测量才找到了问题的根源。So，还是略微感叹一下，产品的研发，真的不能有一丝丝的侥幸心理和想当然哦，仿真和理论，有时候真的需要边上晾一晾，毕竟实操才是王道哇。最后的结果是，只能毅然决然地放弃了-200V的最大栅负压设计，理想很丰满，现实有点骨感，乖乖的，没有一丝一毫犹豫地，直接采用成熟的高压运放，将指标降到了-120V的最大负压设计，好像，应该估计也是够用了。。。。。。

辅助电源，灯丝，栅压电路验证板：
辅助电源-灯丝-栅压-300k.jpg

2.4 高压电源设计
程控可调高压源设计是这个产品设计中的重中之重，本机设计了两路完全一样的高压源，最高750V，最大电流500mA，最小步进控制1.0V，0V起调，全范围输出电压误差小于0.5V。

电路采取SEPIC拓扑，纯硬件PWM控制器负责开关电路的脉宽调制和环路控制，实现从输入+24V到输出0-750V全范围的精细调压。而MCU需要做的，就是通过DAC输出一个参考电压给PWM控制器，即只是发出了一条指令然后检查结果，全程不参与调压的具体执行过程，纯硬件控制保证了电源的输出稳定，响应快速。这个方案的难点在于需要非常仔细的计算和调整环路参数用以匹配主拓扑中的MOS，续流二极管，电感和输出电容等电力执行器件，因为这么宽的输出电压范围对环路参数的频响设计还是有相当大的挑战，必须要满足稳定，快速和宽输出范围的变态要求。这个时候，估计应该会有些人可能会蹭地跳出来质问，为什么多此一举的每路高压电源要用硬件PWM控制器和环路控制，用MCU直接输出PWM控制输出电压不香吗？OK，看官，莫急，且听老衲慢慢道来。。。。。。

目前就开关电源行业来说，有两种主流设计，一种是用传统的PWM控制器作为核心附以精心调制的环路参数来实现无软件参与的纯硬件控制的输出电压固定的开关电源，这类是目前开关电源市场份额中的大头，基本在各行各业中都能够看到；另外一种设计就是所谓的高端“数字电源”，普遍采用DSP芯片作为PWM发生器和环路调节的PID控制器，实现可调输出电压的开关电源。此类电源基本用在新兴的高端市场，在传统行业中基本难觅踪影。

在输出电压可调的开关电源市场，除了高端的纯“数字电源”之外，还有一种通用MCU + 传统硬件PWM控制器的方案也备受追捧，后者可以用更低的软硬件成本来实现与纯“数字电源”相媲美的性能，而在多路输出的应用场景中，这种方式比纯“数字电源”还具有更好的稳定性和灵活性。因为纯“数字电源”的DSP在处理多路PWM和多路环路调节场景的时候，对软件的设计和实现要求会非常的高。所以老衲在本设计中呢，显然用MCU + 传统硬件PWM控制器的方式会更具有优势。毕竟在本设计中还有许多的通讯，检测控制等管理功能需要MCU来操心呢，而不仅仅是位了设计一台多路可调开关电源。

回过头来再讲讲采用通用MCU作为主PWM控制器并处理环路响应进行PID调节的设计方案，目前来说除了一些DIY爱好者在倒腾之外，鲜有工业级的应用，其根本原因在于开关电源的环路调节对实时响应的性能要求非常高，而通用MCU的代码执行效率实在太低了，即便AD转换的性能可以达标，而软件的PID算法也很难达到环路实时控制的性能要求，单路尚且如此，同时要处理多路呢？没有并行处理能力的通用MCU，如何应付？所以此类电源的稳%J6ㄐ曰疚薹愎ひ导兜娜魏斡τ茫蛭绻缭吹氖涑龀鑫侍饬耍院竺娴母涸亟腔倜鹦缘钠苹担珼IY玩玩折腾折腾还是无妨的，做产品，还是别。。。。。。

所以，还是那句话，让专业的人去干专业的事，让通用MCU去干DSP的事？听老衲一句劝：悠着点，还是别玩得那么”花“。。。。。。

高压电路验证板：
高压-300k.jpg

2.5 主控模块设计
主控模块，主要说的是两颗主要器件及其周边配套，一颗是32位的ARM M3内核的MCU，此类MCU在国内市场可以说是处于百花齐放，百家争鸣状态，各种XX32 MCU的推出让人眼花缭乱，应接不暇。所以需要擦亮眼睛仔细甄别，挑选符合自己产品设计需求的。。。。。。老衲呢，算是掉了几回坑啊，差点推倒重来了。至于51内核的MCU呢，应该必须进历史博物馆了，这年头的新设计如果还选用51内核，哪怕是32位的，那真真是叫匪夷所思的芯片选型了。

ADC部分使用了MCU内置的12位ADC，校准后可以满足对最小电压精度要求的测量，对于电流测量，则增加了一块PGA，针对不同的电流量程自动配置增益，保证大范围电流量程内的精度要求。DAC选用了专门的12位DAC芯片，配合软件闭环控制，对0-750V输出范围内最小1V步长的调压需求，不能说绰绰有余吧，也应该可以说毫无压力。。。。。。

主控模块的另一颗主要器件是WIFI/BT接口，这个选择同样很多，各个厂家提供的解决方案都大差不差，所以选个自己熟悉和擅长的芯片或模组来用就行，这个硬件选型没啥纠结的，关键是软件这个核心的设计与实现。

好了，写到这儿，第一块完整的板子必须要出现了，这是一块包含了整机电源，四组独立程控电压源和控制模块/网络接口的核心板。Duang，Duang，Duang，上场吧您哎。。。。。。

完整的主控板：
主板-300k.jpg

scoopydoo · 发表于 2023-10-15 14:52:23

楼主的装备不错哈，左边两台 34401A 和 NF ZM2353 LCR，右边 34410A 或者 34411A 这个看不到型号的话从外观分辨不出来的，美尔诺的电子负载和 Aim-TTi 的双路可编程电源，中间是安捷伦的 MSO6104A 示波器。

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-15 15:43:35

scoopydoo 发表于 2023-10-15 14:52
楼主的装备不错哈，左边两台 34401A 和 NF ZM2353 LCR，右边 34410A 或者 34411A 这个看不到型号的话从外观 ...

哈哈，好眼力，右边那台是34410A

独孤垂钓2023 · 发表于 2023-10-17 22:51:28

本帖最后由独孤垂钓2023 于 2023-10-17 23:09 编辑

继续来，把硬件的最后两块板子描述更新完。。。

----------------- 正文 -----------------

2.6 全矩阵自动跳线模块设计
全矩阵自动跳线模块是本系统中的第二块独立板子。目前设计最多支持9路管脚的自动跳线。板上配置了一颗独立的32位ARM M3的MCU，100个引脚的。。。。。。板子上只有54个继电器需要控制，用100引脚的MCU是不是太浪费了哇？是的，有点浪费，1个IO脚独立控制一个继电器，咱就那么的豪横。。。。。。咳咳，事实只是缘于老衲对IO口串并转换的可靠性总是不辣么的信任啦。

程控跳线模块木啥技术难度，就是占的地盘有点大，所以只能将就了，起个二层楼装配起来吧。。。。。

主控板+矩阵板

2.7 管座适配模块设计
管座适配模块是本系统设计中的最后一块独立单板，无源，主要负责汇聚顶板上的各种管座，尽量避免因各种飞线引起的信号干扰和高频震荡影响测试结果。作为测试设备，电子管管座需要经历长时间的反反复复的插拔操作，如果管座是直接焊接在PCB上的，再厚的PCB都经不起这么高强度的折腾，所以，这块板子的设计亮点在于，将管座的受力点转移到机箱的金属顶板，而适配板的PCB介质只用来作为信号的传导。。。。。。

适配板同样打样了三版，原来以为最简单的，只是用来代替导线的板子居然也会对最终的测试结果产生很大的影响，所以我总是有些怀疑那些出套件的，让玩家自己拽一大把导线七零八落的焊接管座，测试结果的真实性和一致性有多高的可信度可言呢？

三层楼的小洋房搭起来，赶紧的。。。。。。

玩整体

（三）软件
硬件是基础，软件是核心，这个时候该软件上场了。

本设计的软件系统略微复杂，设备端包含三块独立的子系统：程控跳线模块中的ARM M3 MCU软件子系统，主控模块中的ARM M3 MCU软件子系统和WIFI/BT模组中的RISC-V 软件子系统；移动端的App，需要支持安卓和苹果IOS双系统，在鸿蒙5出来之前可以直接使用安卓版本的App；PC端的操控软件计划需要支持Windows，Linux和MacOS三个平台，这块的适配难度和工作量都有点大。

软件系统的另外一个大头，也是本系统设计的一个亮点：那就是“云服务”！咳，这不就是台来扫描电子管特性曲线的“玩具”嘛，后台云服务用来干什么呢，看官们莫急，待老衲喝杯水后再慢慢道来哈。。。。。。

软件系统听起来有点复杂？是的，完全正确，不是听起来，事实就是。。。各个子系统独立运行，而又需要相互通信和协调，还得跟后台云服务打交道。不过，对于已经浸淫此道几十年的专业软件”攻城狮“来说，这都不是事，各个击破后围而歼之，只需假以时日。。。。。。

老百百 · 发表于 2023-10-18 01:35:37

利害了，真正造福坛友的作品

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