前言：

? ? ? ??很早以前我曾經(jīng)想過在現(xiàn)實(shí)中做個(gè)Minecraft的中繼器，不過在前段時(shí)間在某些人的激發(fā)下，重新啟動這個(gè)計(jì)劃，投入的大量時(shí)間和精力去制作以致整個(gè)暑假都沒有時(shí)間去玩MC。在此對各位粉絲道個(gè)歉。

? ? ? ? 當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒，插上電的一刻，我還是感到失望，電路并沒有想象中正常運(yùn)行，而是出現(xiàn)各種各樣的bug。經(jīng)過各種調(diào)試，我還是放棄了。

(′?_?`)

? ? ? ?因?yàn)橥笠_學(xué)，我沒時(shí)間去弄這玩意，視頻也可能沒得發(fā)了。不過心仍有一些不甘，還是決定發(fā)一個(gè)專欄，把問題留下，以待日后解決。

感謝名單：

感謝以下各位在我制作中繼器時(shí)提供幫助。

飛機(jī)： https://space.bilibili.com/34465848/

影叔： https://space.bilibili.com/13658976/

瓜君： https://space.bilibili.com/7486276/

成品圖：

中繼器，尺寸4500x4500 mil（約11.43x11.43 cm）

20HZ時(shí)鐘，尺寸 2900x2700 mil （約7.366x6.858 cm）

開關(guān)電源，尺寸 7500x3900 mil （約19.05x9.906 cm）

PS:1mil=0.001英寸；1英寸=25.4毫米

提示：

? ? ? ? 以下內(nèi)容將在Minecraft和現(xiàn)實(shí)電路之間穿插，閱讀起來可能稍顯困難。為了方便閱讀，部分文字或有關(guān)Minecraft的內(nèi)容會使用顏色標(biāo)注。

分析&思路：

要制作Minecraft中繼器，首先要了解Minecraft中繼器的特性。

在Minecraft中，中繼器具有以下功能:

1、中繼：把紅石信號（強(qiáng)度1--15）提升到15并且向外輸出。

2、延遲：中繼器接收紅石信號后，會延遲一段時(shí)間再向外輸出，延遲時(shí)間由中繼器上的檔位決定，共四個(gè)檔位（1 redstonetick--4 redstonetick）

3、單向傳導(dǎo)：其作用類似于二極管，信號只能單向傳遞

4、鎖存：當(dāng)中繼器側(cè)邊受到別的中繼器（比較器）強(qiáng)充能時(shí)，會鎖住目前的輸出狀態(tài)，不會改變。

更多詳細(xì)的內(nèi)容可翻閱wiki查詢

在現(xiàn)實(shí)中制作中繼器要解決哪些問題呢？

1、現(xiàn)實(shí)電路不同于Minecraft，現(xiàn)實(shí)電路至少要兩條導(dǎo)線形成回路。任何電路需要有電源供電才能工作，VCC（+）和GND（-）兩線必不可少。

2、Minecraft中的信號強(qiáng)度在現(xiàn)實(shí)中可以使用電壓和電流來體現(xiàn)。Minecraft中，紅石信號每走一格（假設(shè)一格對應(yīng)現(xiàn)實(shí)1m），信號強(qiáng)度降低1。現(xiàn)實(shí)中若要完全實(shí)現(xiàn)，需要電每通過1m導(dǎo)線，電壓（或者電流）降低1V（A）。這個(gè)只能精確設(shè)計(jì)電路達(dá)成。（其實(shí)也可以把紅石線當(dāng)做一個(gè)元件專門弄個(gè)電路）

3、單向傳導(dǎo)在現(xiàn)實(shí)中很容易實(shí)現(xiàn)，用二極管就是了。（別忘了二極管有正向?qū)▔航担?/span>

4、延遲和鎖存可以使用復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)。

? ? ? ? 這里觀察Minecraft中中繼器對不同強(qiáng)度信號的響應(yīng)情況，當(dāng)中繼器輸入1--15強(qiáng)度信號時(shí)，中繼器亮；只有中繼器輸入0強(qiáng)度信號時(shí)，中繼器不亮。這時(shí)，這么多不同強(qiáng)度的信號可以簡化成ON和OFF的區(qū)別。對應(yīng)現(xiàn)實(shí)就是高電平和低電平的區(qū)別。這時(shí)，一切對電壓（電流）的精確控制顯得沒有意義甚至是浪費(fèi)精力和時(shí)間?，F(xiàn)實(shí)中，中繼器只要分辨高電平和低電平即可。

（這也是我沒有弄比較器的原因）

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? ? ? ? 值得注意的是，Minecraft是按照gt為單位來更新的，中繼器在每gt更新一次，而游戲正常情況下1s=20gt（電腦卡例外）。這不禁讓我想到可以使用20HZ的時(shí)鐘來更新中繼器。

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于是，一個(gè)大體的電路出來了

? ? ? ? 這里不同于游戲，單獨(dú)一個(gè)中繼器并不能工作，單獨(dú)的中繼器只是實(shí)現(xiàn)游戲中的基本功能，但是需要外部提供VCC、GND以及20HZ的時(shí)鐘。

? ? ? ? 按照圖中方式，單獨(dú)出來的電源和20HZ時(shí)鐘發(fā)生器，可以輕易的為大量的中繼器提供電能、參考地和同步信號。

以下就是我的個(gè)人設(shè)計(jì)了。

實(shí)際電路分析之，20HZ時(shí)鐘發(fā)生器

可以說20HZ時(shí)鐘發(fā)生器相對于中繼器和電源是最簡單的電路了，制作難度也是最低的。

整個(gè)20HZ時(shí)鐘發(fā)生器可以分成4個(gè)部分：振蕩器、降頻電路、圖騰柱、供電電源。

這里我直接使用NE555來產(chǎn)生時(shí)鐘信號，該電路震蕩周期以及頻率為：

因?yàn)?0HZ的時(shí)鐘頻率是在是太低，電容選取上需要選用大容量電容器，比如鋁電解電容，但是鋁電解電容的誤差是很大的，并不適合用來做時(shí)鐘電容。這里我選用100nF的CBB電容，當(dāng)然頻率自然會上去，這里我使用了一個(gè)10K可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)振蕩頻率，將其設(shè)置成320HZ。

這里我使用了4個(gè)D觸發(fā)器，組成4個(gè)二分頻電路，把頻率降低至20HZ。

因?yàn)镈觸發(fā)器輸出的電流非常有限，為了能夠帶動大量的中繼器，這里我自己瞎弄了一個(gè)圖騰柱，用于大功率輸出信號。

由于D觸發(fā)器工作需要嚴(yán)格的5V電壓，低于4.75V和高于5.25V都不可以（TTL系列芯片），這里使用78L05三端穩(wěn)壓器來產(chǎn)生穩(wěn)定且精確的5V電壓（實(shí)測4.98V）。輸入端二極管防呆不防傻，防止正負(fù)極接錯(cuò)導(dǎo)致電容爆炸。輸出端的5.1V穩(wěn)壓二極管作保險(xiǎn)用，一旦穩(wěn)壓器出現(xiàn)故障輸出高電壓，穩(wěn)壓二極管直接導(dǎo)通短路，把電壓鉗在5.1V，保護(hù)芯片防止被燒毀。

實(shí)際電路分析之，中繼器

整個(gè)中繼器主要分成7個(gè)部分：電源，輸入電路，延遲電路，調(diào)檔電路，擇檔電路，輸出電路，鎖存電路。

電源部分功能同上，也是用于產(chǎn)生穩(wěn)定5V電壓。（穩(wěn)壓二極管還是有的，這里沒截到）

Minecraft中一旦中繼器接收到紅石信號，就會加入到NTE列表中，無論那個(gè)信號是常規(guī)高電平，還是0t脈沖。現(xiàn)實(shí)中我使用RS鎖存以鎖住輸入信號，等效于Minecraft中中繼器計(jì)入NTE列表中。

輸入部分我原計(jì)劃是使用RS鎖存的，但是為了偷懶，利用了下NE555內(nèi)部的RS鎖存電路，當(dāng)有輸入時(shí)，通過NPN三極管把2腳拉到低電平置位，3腳輸出高電平進(jìn)入后方電路。

中繼器延遲電路中我采用D觸發(fā)器。因?yàn)镸inecraft中有4個(gè)檔位，最大檔位延遲4 redstonetick，等于8gt，理應(yīng)使用8個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)。20HZ時(shí)鐘激活所有D觸發(fā)的CLK。圖中我使用了SN74175芯片，內(nèi)置4個(gè)D觸發(fā)，兩個(gè)剛好滿足要求。從中取出四條線引入后方電路。

這里為中繼器的調(diào)檔電路，玩家每按一次按鈕，則改變檔位一次。等于Minecraft中玩家按一次右鍵中繼器改一次檔位。這里使用SN7474中的兩個(gè)D觸發(fā)器組成兩個(gè)二分頻電路，玩家每按4次歸位，每按一次，其AB兩端依次輸出00、11、01、10，依次循環(huán)。不同的二進(jìn)制信號對應(yīng)一個(gè)檔位，分別輸入到后方電路中。

PS：最好在電阻（R18）兩端接一個(gè)電容，容量可在100nF左右，主要是消除手按開關(guān)時(shí)的抖動導(dǎo)致信號反復(fù)跳變。

這個(gè)為擇檔電路，圖中使用與門結(jié)構(gòu)，芯片為SN7408，第一級由4個(gè)與門組成，用于篩選調(diào)檔電路發(fā)來的00、11、01、10信號，一個(gè)與門只對應(yīng)一種信號，最終結(jié)果只有一個(gè)與門導(dǎo)通，同時(shí)輸出給LED指示，指示中繼器目前的設(shè)置檔位。第二級也是由4個(gè)與門組成，用于篩選延遲電路發(fā)來的信號，同樣也只會有一個(gè)與門導(dǎo)通，允許對應(yīng)檔位的信號通過。

同樣，芯片輸出的功率很小，一旦帶載過重，會被嚴(yán)重拉低輸出電壓，最終電壓甚至到不了高電平（＜3.5V）。這里我使用圖中電路，4個(gè)NPN三極管組成的結(jié)構(gòu)具有或門的作用，一旦有一個(gè)與門輸出，NPN三極管集電極都會拉到低電平，導(dǎo)致PNP三極管導(dǎo)通。PNP三極管發(fā)射極直接接入VCC而不接入+5，中繼器直接輸出VCC電壓（略低一點(diǎn)），帶載能力大大提高。同時(shí)，輸出電壓也會經(jīng)過一個(gè)電阻后傳輸給一盞紅色的LED燈，指示中繼器目前正在輸出。（圖中沒有截到）

Minecraft中中繼器被鎖存就直接鎖住了輸出狀態(tài)，而且鎖存優(yōu)先級是最高的。這里我干脆就是把20HZ時(shí)鐘斷掉，這時(shí)整個(gè)中繼器沒有了時(shí)鐘更新，其輸出也無法改變。當(dāng)鎖存輸入后，三極管VT9導(dǎo)通，三極管VT7基級被拉到低電平，這時(shí)時(shí)鐘信號無法通過VT7影響延遲電路。

Minecraft中繼器當(dāng)NTE更新后，若后方?jīng)]有信號輸入，中繼器再次進(jìn)入NTE，等待下一次更新停止輸出。同樣在電路中，當(dāng)中繼器輸出時(shí)，PNP三極管VT5集電極輸出高電平，該電信號輸給NE555的6腳。若2腳處于高電平（外部沒有輸入），NE555復(fù)位，3腳輸出低電平，經(jīng)過一定延遲后停止輸出。若外部仍然有輸入（Minecraft中就是持續(xù)輸入），2腳仍然在低電平，即使6腳處于高電平，3腳依然輸出高電平，直到2腳恢復(fù)高電平（停止輸入），3腳才會停止輸出。

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關(guān)于輸入端接個(gè)5.1K電阻和加個(gè)二極管的作用：

由于很多信號輸出時(shí)我設(shè)計(jì)是以VCC輸出，VCC電壓高于5V，而且功率較大。三極管只需要很小的基級電流即可啟動，5.1K電阻用于限流防止電流過大燒毀三極管。當(dāng)輸入電壓有5V時(shí)，基極電流約1mA，三極管的β值很大，集電極允許通過電流能有50mA以上，足以把集電極拉到低電平。三極管的be結(jié)導(dǎo)通壓降有0.7V。我粗暴的再加個(gè)二極管，利用二極管也要0.7V的導(dǎo)通壓降，制造一個(gè)1.4V的閾值。只有輸入電壓高于1.4V才能啟動三極管，防止過低的電壓就啟動。

實(shí)際電路分析之，開關(guān)電源

這部分已經(jīng)和Minecraft沒什么關(guān)系了，不過包含在計(jì)劃中，也就順便提提。

中繼器最終需要電源供電，這個(gè)開關(guān)電源負(fù)責(zé)輸出VCC電壓。電能取自家中易得的220V AC 50HZ電。由于我沒有玩強(qiáng)電的經(jīng)驗(yàn)，為了安全起見。我使用工頻變壓器把220V AC 50HZ變成36V AC 50HZ（順帶隔離作用）。經(jīng)過空氣開關(guān)后進(jìn)入該電路，整流成50V DC電，再經(jīng)過DC to DC降壓至低壓直流供中繼器使用。

因?yàn)閂CC→5V途中有個(gè)二極管和三端穩(wěn)壓器。考慮到二極管有0.7V導(dǎo)通壓降和三端穩(wěn)壓器也需要一定壓降才能正常工作，VCC電壓應(yīng)在7V左右或者更高。但是VCC電壓不宜過高（最好不要過9V），過高電壓會在三端穩(wěn)壓器上產(chǎn)生巨大耗散，散熱跟不上會導(dǎo)致三端穩(wěn)壓器溫度急劇升高以致異常（像我這個(gè)78l05 TO-92封裝的溫度都能飆到80℃以上）。同樣VCC電壓絕對不能高于三端穩(wěn)壓器承受電壓的最大值，以免發(fā)生擊穿。

實(shí)際制作布線

? ? ? ? 實(shí)際操作時(shí)可以使用萬能的面包板或者是洞洞板。但是面對過于復(fù)雜的電路，我還是選用PCB電路板。我看中的是PCB電路板能有Top Layer 和Bottom Layer雙層布線（層數(shù)其實(shí)還可以更多），這樣布線難度能下降許多。而且工廠機(jī)械生產(chǎn)，質(zhì)量保證，比自己在洞洞板上焊強(qiáng)多了。

PS：回想起自己焊接芯片時(shí)那些密密麻麻的走線和經(jīng)常熔錯(cuò)短路要?dú)уa重焊的慘痛經(jīng)歷。

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? ? ? ? 下圖就是我的PCB工程圖了，為了方便給你們看我沒有鋪銅，實(shí)際最后我還是鋪了銅的。

? ? ? ? 圖中紅色代表Top Layer層（頂層布線層），藍(lán)色代表Bottom Layer層（底層布線層），黃色代表Top Overlay層（頂層絲印層）

↑這個(gè)是鋪了銅后的中繼器

生產(chǎn)

? ? ? ? 最后就是把PCB文件轉(zhuǎn)化成Gerber文件，檢查無誤后把Gerber文件打包送到PCB工廠進(jìn)行打樣。工廠將按照Gerber文件生產(chǎn)電路板。最后你將至少得到5塊綠油油的PCB電路板。（你也可以選擇別的顏色）（為什么5塊？因?yàn)楣S最少都要生產(chǎn)5個(gè)）

焊接、上電

? ? ? ? 當(dāng)?shù)玫桨遄雍螅涂梢愿鶕?jù)電路圖把元件焊上去了，如果已經(jīng)有十足的把握，那么通電后有很大概率是正常工作。當(dāng)然還有各種各樣的可能，比如爆炸、冒煙、熔斷、跳閘、無響應(yīng)或者有各種各樣的bug。總之，祝好運(yùn)，安全第一。

最終失敗分析、bug報(bào)告

? ? ? ? 這也許是我最不想要的結(jié)果，整整48天和700多塊錢的投入最終以這個(gè)結(jié)果收場，不過有很多地方應(yīng)該要總結(jié)一下的。

20HZ時(shí)鐘故障：

? ? ? ? 當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了降頻電路不能正常降頻的現(xiàn)象，320HZ→160HZ→80HZ→40HZ→0HZ？？？最終檢查發(fā)現(xiàn)，在PCB畫線時(shí)，我眼瞎漏掉了一條線沒有連接。

(?｀⊿′)?

過后我自己外部搭線讓其正常工作

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中繼器故障：

? ? ? ? 當(dāng)中繼器輸出后，PNP三極管集電極輸出VCC電壓給NE555的6腳。按照技術(shù)手冊中，當(dāng)6腳電壓＞2/3VCC而且2腳電壓＞2/3VCC的時(shí)候，3腳電壓輸出低電平。實(shí)際情況并未如此。實(shí)驗(yàn)時(shí)VCC電壓為4.98V，2腳電壓為4.96V，6腳電壓為8.42V，一段時(shí)間后，VCC電壓急劇降低到1.12V，電流暴增到0.4A，NE555變身鐵板燒，三端穩(wěn)壓器也急劇升溫（這里的VCC指NE555的8腳電壓，不是上文提及的VCC電壓，兩者不同）。猜測NE555屬于CMOS芯片，整個(gè)芯片發(fā)生短路現(xiàn)象，必須斷電重啟。目前我仍未單獨(dú)實(shí)驗(yàn)我的NE555的6腳電壓高于8腳電壓時(shí)是否會發(fā)生故障。如果由此原因引起，更改輸入6腳的電壓即可。但是PCB電路板只能全部報(bào)廢！

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開關(guān)電源故障：

? ? ? ? 開關(guān)電源使用buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)管使用增強(qiáng)型N溝道MOS管，置于高端位置。輸出電壓最大升至7V（設(shè)計(jì)值30V），且沒有帶載能力（一盞LED帶的起，電動機(jī)帶不起）?？梢酝瞥鯩OS管沒有正常開啟（或者說無法正常開啟）。檢測到PWM控制器SG3525有輸出PWM信號，但因沒有示波器無法查知其波形以及占空比。MOS驅(qū)動器使用IR2110，采用自舉升壓結(jié)構(gòu)。目前無法檢測其能否正常工作。

(′?_?`)

結(jié)語

我覺得飛機(jī)一些忠告可以采納下

? ? ? ? 大體上能交代的都交代完了，如果以后有時(shí)間（和資金）的時(shí)候，我可能會考慮重啟這個(gè)計(jì)劃，如果有更多想法或建議的歡迎在評論區(qū)留言。

(°?°)?

HD-nuke8800

2019/8/25