自制便携式宽屏机械电视机

我从没打算加入机电电视的前沿。我只是想做一个漂亮的钟表。但有时候你得跟着工程方向走，我就去了Scanwheel，一台口袋大小的宽屏机电电视，分辨率为4096×20像素。

没错，那是4K×20。

3D打印的鼓（上方）由电机旋转，电机由驱动板控制（从上数第二排）。驱动板由Raspberry Pi Pico（中间）控制，同时控制安装在3D打印外壳（下方）中的LED，使鼓转动时孔位会覆盖LED灯。

詹姆斯·普罗沃斯特

机电电视是第一种实用电视形式，由约翰·洛吉·贝尔德在1920年代.他使用了所谓的尼普科夫盘，上面打出了螺旋孔。随着圆盘旋转，孔洞会一个接一个地经过光源前方。

通过改变光线的亮度，从而绘制出视频帧的一条扫描线。旋转盘子足够快时，视觉的持续性会让它看起来像是同时显示整帧画面。商业机电电视机在英国生产，定期播出由1930年代的BBC.

虽然阴极射线管在20世纪40年代取代了机电电视，爱好者们继续制造这些电视，甚至对原始技术进行了改进。例如，在2022年6月安装IEEE 频谱在《动手实践》中，马库斯·米尔斯展示了桌面尺寸的3D彩色打印版本。

几年前我自己组装了一个机电显示器，但它采用了传统设计，用一块用黑胶唱片做成的Nipkow盘，盘上钻了孔。最近我又开始尝试机电电视，作为我YouTube频道.在那里，我专注于开发体积显示，这种显示能在空间体积内生成漂浮的三维像素。

特别是，我对借鉴充盈相机的一些想法很感兴趣，这种相机利用针孔和镜头捕捉多维空间光场样本。

我在想是否可以反过来运行这个过程，比如创建光场而非捕捉光场。我经常在扩展到三维之前先探索二维的想法，所以我想先演示一下二维显示器。

我决定把机电设备做成钟表。毕竟，显示数字不需要高分辨率。

扫描轮显示是如何工作的？

把显示看作钟面，促使我产生了一些关键想法。首先，我不再只有一个显示区域，而是用五个光源来创建多个区域——四个代表小时和分钟，中央区域用于每秒闪烁的分隔器。

其次，为了让数字排列成可读的行，而不是分散在弧线上，我用已建立的替代方案：Nipkow鼓.

对于滚筒，这些孔沿着弯曲的圆柱形表面呈阶梯式排列。这意味着从侧面观察者的视角来看，孔总是沿着一条直线排列，因此钟表的指针是水平排列的。

“测试中，我把水平分辨率推到了8000多个像素。”

这两个决定成为实现微型化和高水平分辨率的关键。圆盘需要较宽的直径，这样扫描线才不会过于弯曲。但圆鼓不是曲率问题。圆鼓可以比扫描线数量相同的圆盘小得多。

（而且与1920年代不同，现代LED在一个小圆筒内将多个光源紧密地装进也不是问题。）我最终选择了一个6厘米宽的圆筒，将设备从桌面大小变成了可以随身携带的设备。

后来我意识到，我的五个显示区可以协同工作，形成一个宽屏。由于LED亮度可以调制得非常高，水平分辨率也可以很高。我的系统目前是4K水平分辨率，主要受限于我可用的板载内存容量。

这块内存存储缓冲区，存储每帧像素数据，然后再读出给LED显示。测试中，我将水平分辨率提升到超过8000像素。

尽管Scanwheel的垂直分辨率较低——只有20像素，扫描线比贝尔德的30线电视少——但其高水平分辨率让显示屏的可读性出乎意料地好：我不仅能显示粗略数字，还能显示画面流入帧缓冲区的视频。

使用 RP2040 芯片的特殊硅片

那个帧缓冲区存在于覆盆子派皮科微控制器板，基于RP2040微控制器。RP2040 非常适合该项目，因为芯片配备了专用的 PIO 硅片。PIO 代表可编程输入/输出，是一个由四个协处理器组成的模块，使用非常有限的指令集。

每个协处理器都可以完全独立于 RP2040 的两个 CPU 核心处理输入/输出流。

最早的机械电视使用圆盘，磁盘必须较宽以减少图像失真，但允许体积庞大的光源。而现代光源较小，更小的鼓可以产生最小的失真图像。

詹姆斯·普罗沃斯特

多亏了PIO，我才能跟上旋转的磁鼓，同时调制五个LED中的每个，当孔经过它们时，这项任务更复杂，因为中央LED不是单色LED，而是带有独立红、绿、蓝三色通道的彩色LED。

事实上，PIO几乎承担了所有工作，从帧缓冲区提取数据，控制LED和鼓的旋转。CPU上运行的代码（写入）MicroPython）主要负责设置PIO，然后保持不动。

一个步进电机连接到驱动板，驱动鼓转动，电力由Pi Pico的USB插孔提供。Pi Pico只需在控制上发送脉冲，每毫秒递进一次磁鼓位置。视频数据通过网络接口传输到Pi Pico。

你可以设置扫描轮镜像电脑屏幕的一部分，或作为独立显示。

外壳，包括鼓，都是3D打印的。现在来个有趣的地方：在Scanwheel的GitHub仓库里https://github.com/AncientJames/Scanwheel/tree/main除了你自己做这个项目需要的其他文件外，还有一个OpenSCAD该文件根据可调节参数生成鼓的3D打印文件。

这意味着你可以轻松制作更高的鼓，添加更多扫描线，或者尝试其他定制，打造属于你的便携机电显示器。你甚至可以把它当作时钟使用！