Автор текста: Влад Колотнев
История началась с неспешного просмотра японского Yahoo! Аукциона, который является гигантской онлайн-площадкой для торговли самыми разными вещами. Среди предложений внезапно всплыл внушительный электровакуумный дисплей, явно промышленного назначения.
Как часто бывает с такими устройствами, управление ими — отдельная и сложная задача. «С динамическими дисплеями так не справиться!» — промелькнула мысль. К счастью, тот же продавец выставил и оригинальную плату управления, что вселяло надежду.
На плате можно было разглядеть процессор Intel 8085, UART-контроллер 8251 и микросхему ПЗУ. Это наводило на мысль, что протокол обмена можно реверсировать и заставить дисплей работать от современного микроконтроллера, например, Arduino. И всё это за символическую стартовую цену в 1 иену! Мысль о создании уникальных настольных часов подтолкнула к решению попытать удачу и выиграть этот лот.
Конечно, нашлись и другие желающие, но в итоге весь комплект — дисплей и плата — был выкуплен примерно за 10 000 иен.
❯ Проблемы из коробки
Посылка прибыла через несколько дней. Упаковка оставляла желать лучшего: плата и дисплей свободно болтались в коробке. К счастью, видимых механических повреждений не было.
Первое, что бросилось в глаза — маркировка полярности на разъёме питания была перевёрнута.
Первым делом была извлечена микросхема ПЗУ для попытки прошивки через старый компьютер MSX. Увы, она читалась только как массив нулей и при этом ощутимо грелась, что явно указывало на неисправность. Сама плата управления при подаче питания оставалась мёртвой.
Тактовый генератор работал, но на шине процессора не было никакой активности. Это означало, что CPU даже не пытался читать код из ПЗУ. Всё осложнялось защитным лаком на плате, который не плавился обычным паяльником. Попытка извлечь маскированное ПЗУ со шрифтами также провалилась.
Поиск по маркировке производителя (Morio Denki 6M06056) не дал ничего, кроме сайта компании, которая, судя по всему, специализируется на дисплеях для транспорта. Вероятно, этот экран когда-то показывал информацию пассажирам в автобусе или поезде.
Контекст подсказывал, что это, скорее всего, автобусный дисплей. В поездах между станциями обычно отображается бегущая строка, а в старых автобусах — просто название следующей остановки. Надпись «Далее: (неразборчиво)», выжженная на экране, подтверждала эту догадку.
❯ Изучение драйверной платы дисплея
Стало ясно, что управлять панелью придётся напрямую, в обход родной платы. К счастью, к самому дисплею была прикручена промежуточная плата, которая, по-видимому, адаптировала его к какой-то внутренней шине.
Сегодня вся эта логика уместилась бы в одну микросхему, но тогда технологии были другими.
Наличие микросхемы статической оперативной памяти MN2114 намекало на то, что эта плата представляет собой простейший фреймбуфер. Это была отличная новость — значительная часть работы по управлению сотнями отдельных катодов уже была решена аппаратно.
В углу платы красовался знакомый трапециевидный разъём Molex, такой же, как на старых жёстких дисках. Распиновка линий +5V и GND совпала со стандартной. Было решено запитать плату от компьютерного блока питания.
С помощью мультиметра и логического анализатора удалось примерно определить назначение контактов на разъёме шины данных.
Верхняя группа из четырёх контактов шла на вход мультиплексора 74LS257. Вероятно, это был 8-битный вход данных. Нижняя группа контактов была подключена к инверторам, выполнявшим роль буферов. Таким образом, было идентифицировано как минимум пять входных и два выходных управляющих сигнала.
Для проверки гипотезы плата была установлена на макетную плату. На 8-битную шину данных подавалось произвольное значение, а управляющие сигналы перебирались перемычками, а реакция считывалась с помощью светодиодов.
Готовых перемычек не хватило, пришлось импровизировать с паяльником и проводами.
Однако, даже после подачи питания от компьютерного БП, дисплей оставался тёмным. Попытки записать данные в память или замкнуть шину данных на землю не давали никакого видимого эффекта.
❯ Внутреннее устройство дисплея
Изначально предполагалось, что это вакуумно-люминесцентный индикатор (VFD), для работы которого требуется напряжение в 20-30 вольт. Однако прозвонка тестером не показала наличия нитей накала между контактами, что является ключевым признаком VFD. Обрыв нити означал бы смерть дисплея.
Более внимательный осмотр через лупу показал отсутствие характерных для VFD сеток и нитей накаливания:
Это наводило на мысль, что это газоразрядный индикатор. Сбоку дисплея была обнаружена плата с множеством транзисторов. Их маркировка «LS» не была найдена в справочниках того периода.
С другой стороны дисплея находилась похожая плата с диодами, логическим инвертором 7414 и загадочным модулем Mitsubishi MA7446-01.
Анализ конструкции привёл к важным выводам:
К линии, обозначенной как «12 В», был подключён конденсатор, рассчитанный на 250 В. Это явно указывало на присутствие в схеме высокого напряжения.
Транзисторы 2SC1473 в схеме мультиплексора также были рассчитаны на 250 В.
Стало очевидно, что для работы индикатора требуется не 12 вольт, а напряжение порядка 100 В или выше.
Для проверки этой теории был использован маломощный инвертор от электролюминесцентной проволоки, доработанный диодным мостом. На выходе получился источник постоянного тока напряжением около 160 В.
Отрицательный вывод через токоограничивающий резистор в несколько килоом был подключён к одному из горизонтальных контактов дисплея. Положительным выводом аккуратно коснулись одного из вертикальных контактов…
И он засветился! Это подтвердило, что сам индикатор жив. Теперь можно было заказать повышающий DC-DC преобразователь и заняться ремонтом платы мультиплексора.
Конечно, можно было бы создать свою систему управления с нуля, но идея использовать уже готовую схему динамической развёртки для более чем 100 сегментов казалась более элегантным решением.
❯ Поиск неисправностей на плате мультиплексора
Для диагностики была приобретена недорогая китайская лаборатория питания. При подключении плата потребляла неожиданно большой ток. Логические микросхемы серии 74LS явно не должны были так себя вести. Проблема была в самой плате управления.
Без логического анализатора пришлось вооружиться осциллографом и даташитами, сверяя реальные сигналы с таблицами истинности.
Сигналы на шине данных памяти выглядели более-менее нормально, с чёткими фронтами:
Но на выходах некоторых других микросхем картина была удручающей. Например, логический ноль плавал на уровне 1.8 В, а единица — на 3.5 В.
В цифровой логике, помимо «0» и «1», появилось состояние «возможно, но не факт»:
В некоторых местах наблюдались странные «лесенки» на фронтах сигналов, совершенно нехарактерные для цифровых схем. Настоящая троичная логика из 70-х:
Складывалось впечатление, что устройство собрано на логике из параллельной вселенной.
Несколько дней кропотливых измерений и проверки температуры выявили виновников:
Микросхема 107-1 (JK-триггер) — при подаче питания мгновенно нагревалась до 60+°C, а её выход был замкнут на вход.
107-2 — между входом и выходом было сопротивление около 1 кОм, из-за чего сигнал искажался до неузнаваемости, а чип грелся до 40°C.
107-3 — аналогичная проблема с сопротивлением 2 кОм.
Счётчики 393-1 и 393-2 — между тактовым входом и питанием было всего 2 кОм, что объясняло странную форму сигнала.
Интересно, что выводы земли на вышедших из строя микросхемах выглядели иначе: припой был темнее и его было больше, чем на соседних контактах.
Вероятно, в момент поломки через эти контакты прошел большой ток, который расплавил и перераспределил припой.
Для надёжности было решено заменить и другие микросхемы, проявлявшие похожие симптомы.
Поскольку специализированных магазинов почти не осталось, пришлось отправиться к другу-радиолюбителю и выпаять нужные детали из старых плат, которые он хранил как сокровища.
Работа в четыре руки с двумя паяльниками значительно ускорила процесс замены.
JK-триггеры оказались настоящей редкостью, и их пришлось заказывать отдельно в магазине, который больше походил на музей электронных компонентов.
❯ Второе включение
Все подозрительные микросхемы были аккуратно выпаяны и заменены на новые, установленные в панельки — на случай, если что-то снова выйдет из строя.
Позже также был заменён кварцевый резонатор, чтобы увеличить частоту развёртки и избавиться от мерцания на видео.
Подаём питание. Светодиод на макетной плате, который раньше горел постоянно, наконец-то погас. Хороший знак. Если установить перемычки данных в положение 0xFF и подать тактовый импульс…
Две тёмные линии на макетной плате засветились! Правда, во время теста один провод шины данных оторвался, но это мелочь.
Он жив! Полное включение всех пикселей потребляло около 25 Вт.
Экспериментальным путём была окончательно выяснена распиновка разъёма:
Протокол управления оказался до смешного простым.
После включения нужно дождаться сигнала готовности (~READY). Затем установить 8 бит данных и подать импульс на тактовый вход (~CLOCK). Этот байт записывается в верхнюю половину самого левого столбца дисплея. Пиксели, соответствующие единичным битам, зажигаются.
Следующий тактовый импульс записывает байт в нижнюю половину того же столбца, затем в верхнюю половину следующего и так далее, заполняя экран сверху вниз и слева направо. После записи последнего байта счётчик адреса сбрасывается, и запись начинается заново.
Сигнал ~RETZ принудительно сбрасывает счётчик адреса в ноль. Сигнал ~RESET очищает весь экран.
Подача низкого уровня на вход BRIGHT снижает яркость (и потребление) вдвое. Заземление входа SHOW позволяет записывать данные в память платы, но полностью отключает свечение дисплея.
❯ Первые тесты и создание контроллера
Терпения ждать доставки готовых плат не было, поэтому из очередной платы-донора был выпаян буферный преобразователь уровней TC4050B. Он идеально подходил для согласования 3.3-вольтовых выходов микроконтроллера ESP32 с 5-вольтовой логикой дисплея.
Мост между эпохами: 1980-е и 2010-е.
Макетная плата — лучший друг прототипирования.
Схемы даже не рисовались — всё собиралось «на лету». Был написан простейший скетч, который выводил бегущую строку. После успешного теста в прошивку добавили рендерер шрифтов.
Для завершения проекта и поиска корпуса предстояла поездка в легендарный район Акихабара.
Котлета — важный, но не электронный компонент сборки!
Как и следовало ожидать, судьба этого дисплея была предопределена: он должен был стать основой для настольных часов и метеостанции.
Операционная система для него получила рабочее название Plasma Information System OS (или просто PIS-OS).
Конечный результат выглядел впечатляюще.
Сборке конечного устройства и разработке прошивки будет посвящена следующая часть этой истории.
Больше технических деталей и обновлений в реальном времени можно найти в тематических обсуждениях на форумах вроде EEVBlog.
Материал подготовлен специально для читателей. Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые интересные статьи о технологиях и DIY-проектах.
Использование реферальных ссылок на сервисы помогает автору поддерживать проект и создавать новый контент.
Больше интересных статей здесь: Гаджеты.
Источник статьи: Оживляем неизвестный дисплей от японского поезда/автобуса.