“雖然有點(diǎn)復(fù)古，但好玩的項(xiàng)目永不過時。Nixie Tube Audio Meter（輝光管音頻電平表）是一種結(jié)合復(fù)古輝光管顯示技術(shù)與現(xiàn)代音頻處理功能的電子設(shè)備，以蒸汽朋克美學(xué)的形式可視化音頻信號的動態(tài)變化”

高中時期我曾用霓虹數(shù)碼管制作過一個時鐘。那是個非常原始的結(jié)構(gòu)：布滿手工接線、實(shí)驗(yàn)板和自制蝕刻PCB。令人驚訝的是它居然運(yùn)行良好！但最終成品實(shí)在不夠美觀，導(dǎo)致我從未實(shí)際使用過它——粗糙切割和膠合的預(yù)制塑料外殼所帶來的負(fù)面美學(xué)效應(yīng)，完全抵消了霓虹數(shù)碼管本身的視覺魅力。

另一個高中時期就想實(shí)現(xiàn)但受限于資金而未能完成的項(xiàng)目，是使用前蘇聯(lián)的柱狀顯示管制作光譜儀風(fēng)格的音頻表。這些高壓氣體放電管能根據(jù)輸入電流大小顯示不同高度的垂直光柱。

我認(rèn)為現(xiàn)在是時候重新審視這個擱置多年的創(chuàng)意了。所有代碼與原理圖均已開源至GitHub。

本文內(nèi)容分為以下幾個部分：

• 硬件篇：詳解電路設(shè)計(jì)。包含KiCad設(shè)計(jì)軟件使用、線纜連接等內(nèi)容。

• 軟件篇：解析系統(tǒng)運(yùn)行代碼。涵蓋（嵌入式）Rust編程語言、數(shù)字信號處理（DSP）算法等實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

• 外殼篇：介紹設(shè)備外殼的設(shè)計(jì)與制作過程。

關(guān)于3D建模與渲染的更多細(xì)節(jié)詳見外殼篇

結(jié)合其豐富的元件庫資源、以及自定義元件添加/編輯的流暢體驗(yàn)，堪稱EDA領(lǐng)域的重要贏家。

電路系統(tǒng)概覽：

• 霓虹管驅(qū)動板

  • 模塊化菊花鏈?zhǔn)皆O(shè)計(jì)，每板支持4根數(shù)碼管

  • 核心適配IN-13霓虹數(shù)碼管，同時兼容更經(jīng)濟(jì)的IN-9管

  • 搭載ATSAMD11微控制器：全引腳利用（4路PWM/2路雙向UART/SWD編程接口/1路電源控制輸出），全程Rust編程（詳見軟件篇）

  • 采用TPS2281電源管理IC控制高壓電源啟停，無操作數(shù)秒后自動斷電以延長數(shù)碼管壽命

  • 170V高壓由NCH8200HV模塊生成。根據(jù)數(shù)碼管能效差異（IN-13單模塊即可驅(qū)動，IN-9需雙模塊）支持1-2模塊靈活配置

  • 工作原理鏈：PWM→低通RC濾波器→運(yùn)放穩(wěn)定型低邊BJT恒流源→數(shù)碼管陰極

  • 每根數(shù)碼管可通過恒流源微調(diào)電位器單獨(dú)校準(zhǔn)

  • 板間通過DIP跳線連接

• 支撐架板（原理圖1，原理圖2）

  • 安裝在驅(qū)動板上方，負(fù)責(zé)數(shù)碼管定位與垂直固定

  • 頂層支撐板采用橡膠墊圈固定數(shù)碼管

• 控制主板

• • 獨(dú)立于數(shù)碼管驅(qū)動板運(yùn)行，負(fù)責(zé)音頻信號處理與電平顯示決策

  • 自動檢測連接數(shù)碼管數(shù)量并匹配顯示頻段

  • 基礎(chǔ)配置僅需5-12V電源+3.3V UART，理論上可用USB轉(zhuǎn)串口模塊簡化實(shí)現(xiàn)

  • 本方案實(shí)現(xiàn)版本支持Toslink光纖S/PDIF音頻輸入

  • 編程語言采用Rust與C混合開發(fā)

數(shù)碼管驅(qū)動板原理圖預(yù)覽：

2024 年補(bǔ)記（本文最早是2020年發(fā)布的）：。如今Rust異步生態(tài)與裸機(jī)調(diào)度器（如RTIC與Embassy框架）已大幅成熟，下文所述方案可能不再具有實(shí)用價(jià)值。建議探索基于調(diào)度器的新體系。

在嵌入式開發(fā)（乃至廣義軟件開發(fā)）中，我堅(jiān)定推崇事件驅(qū)動架構(gòu)。對于嵌入式場景，這意味著構(gòu)建一個主循環(huán)（master loop），持續(xù)監(jiān)聽輸入事件（引腳狀態(tài)變化、定時器觸發(fā)、串口數(shù)據(jù)接收等），并在事件觸發(fā)時更新內(nèi)部狀態(tài)、執(zhí)行輸出動作（設(shè)置引腳電平、發(fā)送串口數(shù)據(jù)等）。

避免使用阻塞式延時函數(shù)。推薦在后臺運(yùn)行一個固定間隔的定時器，通過統(tǒng)計(jì)定時器觸發(fā)次數(shù)來管理周期性任務(wù)。這種方式能確保主循環(huán)在執(zhí)行任務(wù)間隙仍可處理其他事件。

主循環(huán)不應(yīng)以100% CPU占用率空轉(zhuǎn)輪詢。多數(shù)嵌入式平臺提供「事件等待」機(jī)制——即進(jìn)入低功耗睡眠模式，直至相關(guān)硬件事件觸發(fā)中斷喚醒。ARM架構(gòu)中的wfi指令（"等待中斷"）正是此類機(jī)制的體現(xiàn)。只要確保所有關(guān)鍵硬件事件均關(guān)聯(lián)中斷（或存在足夠多的隨機(jī)中斷保證主循環(huán)及時響應(yīng)），輪詢過程就能最大限度減少無效能耗。

在嵌入式應(yīng)用中，我的主循環(huán)通常會如下所示：

enumPinEvent{  PinTurnedOn,PinTurnedOff}enumTimerEvent{  TimerFired{times:usize}}enumSerialEvent{ ByteReceived(u8)}// We have a single master event type which wraps all other eventsenumEvent{ Pin(PinEvent),Timer(TimerEvent),Serial(SerialEvent)}impl Pins { fnupdate(&mutself) ->Option<PinEvent>{/* ... */}}impl Timer { fnupdate(&mutself) ->Option<TimerEvent>{/* ... */}}impl Serial { fnupdate(&mutself) ->Option<SerialEvent>{/* ... */}}loop { // Check each piece of hardware for a change. // Instead of using this polling based model, you can also // use the interrupt handlers to e.g. put events into // some event buffers and read from those buffers.  let pin_event = input_pins.update().map(Event::Pin);  let timer_event = timer.update().map(Event::Timer); // In many cases, it's better to process multiple inputs // per loop, usually by passing around a buffer. See my // S/PDIF code for an example - it will process up to 128 // samples per cycle.  let serial_event = serial.update().map(Event::Serial) // We have a master state object which, internally, // keeps mutable reference(s) to the state of our logic. // We pass in all hardware events as well as mutable handle // objects that the state object can use to control hardware. // // Hardware handles should not have a concrete type in the state definition. There // should be a trait that describes the capabilities of the hardware and a type // parameter constrained to satisfy that trait. This allows you to mock out // hardware during testing. // // Sometimes you'll want to pass in the hardware handle at every update() invocation, // and sometimes you'll want to have the state object own the handle. Either way, // use a trait to define the capability of the hardware. //   // Fixed-sized output events (e.g. LED on/off) can optionally be returned from the // state update function, but for variable-sized output events it's usually easier // to pass in some object which consumes the events (e.g. tx_buffer). forevent in [pin_event,timer_event,serial_event].iter() {    state.update(event, &mut tx_buffer, &mut led);  } // Iterating like this may or may not work for your Event type. // You may want to use pin_event.into_iter().chain(...) instead of putting // the events in an array and iterating over that. // Flush as much buffered data (e.g. outgoing serial bytes) // as possible (without blocking) to hardware. // It's important to keep in mind that the design principles here // strongly suggest that you shouldn't ever block waiting for the // UART to flush. Instead, you should intentionally decide when (not) // to send based on available UART bandwidth. In this project, // I just drop packets if I'm low on bandwidth (which I try to avoid).  tx_buffer.flush();
 // If we're not too busy, execute wfi (or equivalent). // Processor will go into a low-power state // until an interrupt fires. // We should be confident that an interrupt will fire // every time something we care about changes, or at least // that some arbitrary interrupt will happen frequently // enough that our loop runs sufficiently often.  let not_busy = [pin_event,timer_event,serial_event].iter().all(|evt| evt.is_none()); ifnot_busy {wfi()}
}

對于這樣的嵌入式程序，有幾點(diǎn)建議：

• 規(guī)避阻塞操作。阻塞式代碼會嚴(yán)重阻礙功能擴(kuò)展，尤其在需要并發(fā)處理時

  • 替代方案：采用定時器/計(jì)數(shù)器機(jī)制替代延時函數(shù)

• 如果需要管理功耗，啟用基于中斷的休眠機(jī)制，實(shí)現(xiàn)零功耗空轉(zhuǎn)等待

• 禁止動態(tài)內(nèi)存分配：嵌入式場景中動態(tài)內(nèi)存分配易引發(fā)致命錯誤。Rust嵌入式生態(tài)對此有深刻認(rèn)知，標(biāo)準(zhǔn)庫提供優(yōu)秀靜態(tài)內(nèi)存管理方案

• 確保狀態(tài)表示正確且方便使用。采用聯(lián)合類型(sum types)精確描述系統(tǒng)狀態(tài)（Rust的enum類型在此大顯身手）

• 設(shè)計(jì)時注意狀態(tài)模型的易操作性，避免與硬件直接耦合

  • 盡量使用純函數(shù)（即不使用可變性）。這樣可以更容易地推理應(yīng)用程序的行為，尤其是在重構(gòu)過程中。在沒有分配器和垃圾回收器的情況下，這可能會比較困難，但通常還是值得一做。

  • 盡量將硬件修改與事件處理分開。

  • 嘗試將事件建模為數(shù)據(jù)。與其在應(yīng)用程序邏輯中間檢查一堆硬件標(biāo)志來弄清硬件發(fā)生了什么變化，不如嘗試將其抽象為一種方便的事件類型，并為每種可能的事件提供不同的構(gòu)造函數(shù)。例如，在我處理 S/PDIF 的 Rust 代碼中，我有一個事件類型來描述 S/PDIF 硬件可能發(fā)生的變化：pub enum Event { LockLost, LockAcquired(f32), Samples(T)}。在我的應(yīng)用邏輯中，我只需在這個方便的事件類型上進(jìn)行模式匹配，而不必去處理 S/PDIF 硬件中的所有寄存器。

• • 在 Rust 環(huán)境中，lifetime 系統(tǒng)和 impl 返回值對處理這類問題很有幫助。

其中很多建議與我在文章《Haskell 中的分布式系統(tǒng)》（Distributed Systems in Haskell）中給出的建議非常相似；其中很多想法也適用于嵌入式環(huán)境之外。

在本項(xiàng)目中，我深度運(yùn)用了Rust編程語言。盡管在日常軟件開發(fā)中我鮮少使用Rust（畢竟在非實(shí)時操作系統(tǒng)場景下，垃圾回收語言通常更高效），但Rust在嵌入式領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡魅力。其特性與嵌入式開發(fā)需求高度契合：

• 零動態(tài)內(nèi)存分配：規(guī)避動態(tài)內(nèi)存管理的所有潛在風(fēng)險(xiǎn)

• 安全指針操作：借助生命周期系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)C/C++難以企及的內(nèi)存安全

• 硬件獨(dú)占訪問建模：通過線性類型系統(tǒng)（Linear Types）精確控制硬件資

和C(++)相比，Rust具有以下現(xiàn)代化語言特性：

• 內(nèi)存安全保證

• 代數(shù)數(shù)據(jù)類型（Algebraic Data Types）

• 參數(shù)多態(tài)（Parametric Polymorphism，雖有限但實(shí)用）

ARM生態(tài)支持

Rust對ARM架構(gòu)的支持相當(dāng)完善，主流開發(fā)板大多擁有成熟的純Rust驅(qū)動庫。若現(xiàn)有庫無法滿足需求，Rust的C FFI接口可便捷調(diào)用C代碼。

但在項(xiàng)目過程中我也遇到以下痛點(diǎn)：

1. 類型系統(tǒng)局限：
   ? 缺乏高階種類多態(tài)（Higher-Kinded Polymorphism）

   ? 不支持二階類型變量（Rank-2 Type Variables）

   ? 缺失尺寸多態(tài)（Size Polymorphism）

   ? 無法在where子句中添加等式約束（Equality Constraints）

2. 狀態(tài)建模挑戰(zhàn)：
   ? 不可臨時移出可變引用（因與panic!宏的交互未達(dá)成共識）

   ? Trait 中無法返回impl類型

3. 異步生態(tài)短板：
   ? 無標(biāo)準(zhǔn)庫時需依賴Nightly版封裝包實(shí)現(xiàn)async/await

   ? 特質(zhì)定義中禁用異步函數(shù)（與impl返回值缺失形成雙重打擊）

上述痛點(diǎn)多源于類型系統(tǒng)泛化不足，有望隨語言演進(jìn)逐步改善。部分特性已進(jìn)入活躍開發(fā)階段?？傮w而言，相較于C/C++，Rust的嵌入式開發(fā)體驗(yàn)堪稱愉悅。畢竟，誰不想在寫驅(qū)動代碼時享受模式匹配與內(nèi)存安全的雙重福利呢？

音頻處理流程如下：

帶通濾波器由N個指數(shù)間距分布的雙二階帶通濾波器構(gòu)成，其中 N 是電子管的數(shù)量。各頻段能量計(jì)算后輸入指數(shù)加權(quán)移動平均濾波器(EWMA)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)平滑。然后，我們將左右兩組 EWMA 濾波器相加，并將其送入一個中等復(fù)雜的算法，該算法試圖找到一個從能量水平到輝光管高度的既美觀又實(shí)用的映射關(guān)系。簡單來說，它是根據(jù)各通道隨時間變化的能級分布，試圖找到一個 “有代表性 ”的能級，并將其作為給定動態(tài)范圍對數(shù)標(biāo)度表示法的參考點(diǎn)。

該系統(tǒng)的輸出是一個由 [0, 1] 中的 N 個值組成的數(shù)組，每 M 個輸入樣本出現(xiàn)一次（M 可以是任意正整數(shù)）。

電路板使用簡單的基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議進(jìn)行通信。每個數(shù)據(jù)包由 6 個字節(jié)組成：1 字節(jié)報(bào)頭、1 字節(jié) TTL（用于選擇受控的燈管）、2 字節(jié)亮度級別和 2 字節(jié)校驗(yàn)和。

每當(dāng)電路板接收到一個數(shù)據(jù)包，它就會檢查 TTL t 是否小于 4。如果 t 大于 4，則從 t 中減去 4，然后重新轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

控制板也可以使用此協(xié)議來檢測燈管的數(shù)量。我們使用一個跳線將鏈條中的最后一塊電路板與自己連接起來，這樣就可以將信息 “反射” 回控制板，并將 TTL 減去燈管數(shù)量的 2 倍。

輝光管板子處于輪詢狀態(tài)，等待幾種情況中的一種發(fā)生：

• 如果 UART 收到信息，它就會

  • 打開輝光管（如果它們處于關(guān)閉狀態(tài)）并應(yīng)用信息中指定的亮度（使用 PWM 引腳之一）

  • 將信息轉(zhuǎn)發(fā)到另一個 UART（如果信息是針對不同電路板的）

• 如果 3 秒內(nèi)沒有收到任何信息，則關(guān)閉燈管。假定它已與控制板斷開連接。

• 如果所有電子管在 10 秒內(nèi)都設(shè)置為零，則會關(guān)閉電子管。假定音樂（或其他）已經(jīng)暫停。

在靜止期間關(guān)閉電子管的主要好處是降低功耗和減少對輔助陰極的磨損。電子管電路板還具有邏輯功能，可以讓 IN-13 電子管上的輔助陰極在激活主陰極之前有足夠的時間激活，從而提高電子管的可靠性。

第一種設(shè)計(jì)基于 Raspberry Pi 和 Hat，增加了對數(shù)字和模擬音頻輸入的支持。不幸的是，由于多種原因，這種設(shè)計(jì)效果不佳：

• Pi 尺寸較大

• Pi 加上 Hat 和各種配件比其他方案昂貴得多

• 我找到的唯一合適的 Hat 基本上沒有制造商支持，需要使用專有 Windows IDE 才能正確配置

• Pi 的功耗非常高，而且電壓不方便

• Pi 需要很長時間才能啟動

• Pi 需要特殊配置才能保障可靠性（例如啟用 OverlayFS 以防止磁盤寫入）

• Pi 采用非實(shí)時操作系統(tǒng)，具有大量緩沖區(qū)，會帶來不可忽略的延遲

所以這個設(shè)計(jì)是失敗的。

第二種方案的結(jié)果要好得多，使用 “Teensy”開發(fā)板（第 4 版）。這是一塊簡單而廉價(jià)的電路板，配備一個 600MHz 的 32 位 ARM 處理器。在我的使用案例中，制造商支持水平大致也相當(dāng)于沒有，但基本上在所有其他指標(biāo)上都優(yōu)于 Pi。在進(jìn)行 DSP 處理時，它甚至在處理器使用率方面擊敗了 Pi。這在我看來不太對勁，也許是 Pi 的音頻驅(qū)動程序帶來了大量開銷或其他什么。

Teensy 的一個缺點(diǎn)是對 Rust 的支持非常有限。有一個軟件包可以讓你啟動 Teensy、連接到中斷處理程序、通過 USB 記錄信息等，但它并不真正支持任何外設(shè)。我不得不用 C 語言完成所有外設(shè)，并通過 FFI 從 Rust 調(diào)用 C 語言。我嘗試過另一種方法（將 Rust DSP/協(xié)議代碼編譯成靜態(tài)鏈接庫，然后從支持良好的 Arduino Teensy 設(shè)置中調(diào)用），但如果你試圖做任何類似的復(fù)雜事情，Arduino IDE 就會懲罰你，而且我無法讓它正確鏈接。

音頻板啟動時，它會自動檢測連接了多少個電子管。電子管數(shù)量用于配置音頻表參數(shù)（帶通濾波數(shù)量、刷新率等）。

然后，音頻板將處于輪詢狀態(tài)，等待下列情況之一發(fā)生：

• 如果 S/PDIF PLL 時鐘穩(wěn)定在一個時鐘頻率上（即建立了 S/PDIF 連接），音頻板將在軟件中初始化音頻表（音量計(jì)）。

• 如果 S/PDIF PLL 時鐘失去頻率鎖定，音頻板將重置音頻表并等待新的連接。

• 如果通過 S/PDIF 接收到音頻采樣，采樣將被送入音頻表管道。

  • 每輸入 M 個采樣點(diǎn)，音頻電路板就會向電子管電路板發(fā)送新值。M 的計(jì)算是為了以 240Hz 的頻率更新電子管（或者在電子管數(shù)量非常多的情況下盡可能快）。

音頻板的速度非?？欤?/span>

• 16 個電子管在 24bit/96kHz 的頻率下沒有問題

• 16 個電子管的更新頻率大于 400Hz，端到端延遲約為 3ms。默認(rèn)運(yùn)行頻率為 240Hz

外殼

舊款霓虹管時鐘遭棄用的核心敗筆在于丑陋的外殼。為避免重蹈覆轍，本次耗時月余打造激光切割亞克力外殼。

我在網(wǎng)上閱讀了許多文章，了解制作一個可用的亞克力產(chǎn)品外殼所面臨的挑戰(zhàn)，最終我選擇了基于以下原則的設(shè)計(jì)：頂板/背板/前面板/底板通過精密卡槽實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)裝配，側(cè)板內(nèi)置彈簧卡扣確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，驅(qū)動板通過M2.5標(biāo)準(zhǔn)螺柱固定于殼體內(nèi)部。

從設(shè)計(jì)中可以得到一些啟示：

• 參數(shù)化設(shè)計(jì)非常有價(jià)值。手工進(jìn)行一次性設(shè)計(jì)很有誘惑力，但實(shí)際情況是，你幾乎肯定需要多次調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。進(jìn)行參數(shù)化 CAD 設(shè)計(jì)（無論是通過編程還是使用某些基于約束的工具）是值得的。

• 很難找到好的亞克力切割服務(wù)。我嘗試過很多流行的在線亞克力切割服務(wù)，幾乎所有的服務(wù)都存在一些嚴(yán)重的問題（軟件問題、荒唐的運(yùn)費(fèi)/時間等）。最后我找到了一家當(dāng)?shù)氐男〉?，雖然我必須用谷歌翻譯給他們發(fā)郵件，但他們的工作還不錯。

• 應(yīng)該在設(shè)計(jì)參數(shù)中加入公差。如果你想讓復(fù)雜的零件緊密配合，就需要在制造過程中縮小可接受的誤差范圍。我的最終外殼設(shè)計(jì)只是勉強(qiáng)擠在一起（這正是我想要的，否則外殼就會松動）。

在殼體設(shè)計(jì)階段，我嘗試了多款CAD工具，最終參數(shù)化設(shè)計(jì)（parametric design）方案脫穎而出——這種設(shè)計(jì)方法允許快速調(diào)整參數(shù)而無需重構(gòu)整體結(jié)構(gòu)。

我試用過的最喜歡的 CAD 工具名為 SolveSpace，它是一款非常簡約的 3D CAD 工具，以約束求解引擎為基礎(chǔ)。然而，由于約束求解器在重復(fù)組方面存在一些明顯的限制，我無法使用該工具快速實(shí)現(xiàn)我的設(shè)計(jì)。

最后，我在 FreeCAD 中使用了 Python 腳本。FreeCAD 也有一個約束求解引擎，但我發(fā)現(xiàn)它使用起來很復(fù)雜（在重復(fù)群組上也有類似的問題），因此我只使用 Python API 來生成線、曲面和擠壓。FreeCAD 的 Python API 感覺有些笨拙，但還是完成了工作。

效果預(yù)覽

將電路板的 3D 模型從 KiCad 導(dǎo)出到 FreeCAD，以確保所有部件都能很好地組合在一起。當(dāng)我剛開始了解我想要的外殼外觀時，我會將 FreeCAD 導(dǎo)出到 Blender，這樣我就可以渲染預(yù)覽視頻，了解整個外殼是如何組合在一起的。這就是其中一段視頻，當(dāng)時我正在考慮將控制板和輝光管放在同一個盒子里：

我使用 STEP 文件從 KiCAD 導(dǎo)出到 FreeCAD，并使用 Collada (.dae) 從 FreeCAD 導(dǎo)出到 blender。為了渲染如上圖所示的光線追蹤預(yù)覽效果，我要么讓 Blender 在我的電腦上運(yùn)行 5 個小時，要么啟動幾個 EC2 GPU 實(shí)例，然后將工作量分?jǐn)偨o它們。Blender 有一個功能齊全的 Python API（雖然很笨拙），很適合做這樣的事情。