描述

ArduboyXL號(hào)

我著手制作一個(gè)具有更大屏幕并能夠從微型 SD 卡加載游戲的Arduboy克隆。TL;DR 是它使用兩個(gè) arduino——一個(gè) Atmel 328p 從 SD 卡讀取并重新刷新 Atmel 32u4。多路復(fù)用器芯片用于將顯示器切換到編程器內(nèi)核以顯示菜單。我制作了自定義工具來(lái)生成菜單列表和屏幕截圖文件。我用數(shù)控機(jī)床用鋁板加工了一個(gè)外殼。

背景

Arduboy 是一款基于 arduino 的便攜式游戲系統(tǒng)，旨在運(yùn)行免費(fèi)和開(kāi)源游戲。它本質(zhì)上只是一個(gè) 8 位微控制器，以信用卡大小的封裝連接到 oled 屏幕。

harwdare 非常有限。該處理器是一個(gè) 16MHz ATMega 32u4，具有 32KB 閃存和 2.5KB RAM。屏幕是 1.3"、128x64 像素、1 位 OLED。有 512 字節(jié)的 EEPROM 可用于保存游戲或高分。系統(tǒng)一次只能容納一個(gè)游戲，必須從 PC 刷新才能切換游戲。

有趣的是，這設(shè)法創(chuàng)造了一種頗具吸引力的體驗(yàn)，吸引了許多明顯的開(kāi)發(fā)者和玩家。它在 2015 年獲得了成功的 kickstarter ，籌集了超過(guò) 40 萬(wàn)美元，并且有 100 多款游戲，從兒童制作的第一款游戲到具有專(zhuān)業(yè)外觀(guān)的游戲。從游戲的角度來(lái)看，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于Ouya等其他草根游戲機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，其資助金額是其十倍以上。我認(rèn)為，成功來(lái)自于限制——簡(jiǎn)單的硬件意味著你需要制作一款簡(jiǎn)單的游戲，這使得它更容易上手，也更容易完成。完成后，游戲?qū)⒃谝粋€(gè)完全獨(dú)立的平臺(tái)上運(yùn)行，沒(méi)有其他東西可以搞砸它。如果您將您的游戲發(fā)送給朋友，他們會(huì)獲得完全相同的體驗(yàn)，并且沒(méi)有真正的惡意軟件可能性（盡管我認(rèn)為您可以制作一個(gè)會(huì)損壞硬件的程序，但它不像普通的可執(zhí)行文件那樣可以勒索您的整個(gè)硬盤(pán)駕駛）。顯然范圍不一樣，但我認(rèn)為小贏(yíng)總比大失敗好。

我的電子游戲囤積本能被激活了。我想擁有所有的游戲。我已經(jīng)著手制作我自己的系統(tǒng)版本，該系統(tǒng)包含系統(tǒng)本身中的所有游戲，無(wú)需從計(jì)算機(jī)重新刷新。

研究

你怎么做到這一點(diǎn)？我知道讓 arduino 與 SD 卡對(duì)話(huà)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的——有圖書(shū)館可以做到這一點(diǎn)。所以我們可以從 SD 卡加載文件，但是如何讓它們?cè)?arduino 上運(yùn)行？程序存儲(chǔ)器中有一個(gè)小的保留部分稱(chēng)為引導(dǎo)加載程序，目前允許您通過(guò)串行通信對(duì)芯片進(jìn)行重新編程。理論上，可以重寫(xiě)這段 4KB 的代碼，以便從 SD 卡對(duì)芯片本身進(jìn)行重新編程……

但這聽(tīng)起來(lái)真的很難。一個(gè)更簡(jiǎn)單的解決方案是讓第二個(gè) arduino 與 SD 卡通信，并將程序發(fā)送到玩游戲的 arduino。

“雙核”設(shè)計(jì)已經(jīng)確定，但是如何讓一個(gè)arduino程序成為另一個(gè)arduino程序呢？

選項(xiàng) 1：STK500 over serial利用引導(dǎo)加載程序，您可以將串行命令從一個(gè) arduino 發(fā)送到另一個(gè)以對(duì)其重新編程。這與當(dāng)您通過(guò) FTDI usb 連接到串行適配器時(shí)計(jì)算機(jī)對(duì)芯片重新編程的方式相同。對(duì)于布線(xiàn)，您只需連接 RX->TX 和 TX->RX（和 GND）。

我發(fā)現(xiàn)了以下示例：

George Caley 的Arduino 復(fù)印機(jī)

我能夠讓這段代碼在 Arduino Uno 和 Pro-Mini 上運(yùn)行，它們都是基于 ATMega 328p 的開(kāi)發(fā)板。

困難在于代碼的文檔記錄不完善。有大量的幻數(shù)塊，其中一些需要更改才能使代碼適用于 32u4 芯片。我開(kāi)始使用 STK500 文檔將幻數(shù)轉(zhuǎn)換為命名常量，但我遇到的第一件事是“設(shè)置設(shè)備”指令，后跟設(shè)備代碼 0x86，我在任何地方都找不到它。我假設(shè)它是 328 的設(shè)備代碼，但我找不到準(zhǔn)確進(jìn)行所需的文檔。

Bald Wisdom 的引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器

這看起來(lái)很棒，它使用命名常量，它實(shí)際上完全按照我的需要做，甚至從 SD 卡加載草圖。但是，我無(wú)法讓它工作。它使用硬件串行線(xiàn)進(jìn)行編程，并使用第二條軟件驅(qū)動(dòng)的串行線(xiàn)進(jìn)行調(diào)試——我把它連接得很好，但從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)幾種不同類(lèi)型的錯(cuò)誤垃圾郵件。還有一些巨魔狗屎，比如接線(xiàn)圖，上面有幾段注釋?zhuān)厦鎸?xiě)著“圖表是錯(cuò)誤的”——它讓你質(zhì)疑每一行代碼。

這里故事的寓意是使用選項(xiàng) 2。

選項(xiàng) 2：在線(xiàn)串行編程器 這是一種使用 SPI 接口的更直接的編程方法。這種方法實(shí)際上可以刷新引導(dǎo)加載程序本身，這很好，因?yàn)槟抢镉泻芏嚓P(guān)于如何在引導(dǎo)加載程序出錯(cuò)時(shí)恢復(fù)你的 arduboy 的線(xiàn)程。這就引出了一個(gè)問(wèn)題，即為什么我們首先要有引導(dǎo)加載程序，尤其是在需要外部設(shè)備進(jìn)行串行通信的 pro-mini 之類(lèi)的東西上。為什么不直接插入不同的東西并通過(guò) ICSP 編程呢？

Nick Gammon 的十六進(jìn)制上傳器

這幾乎立即起作用，從一種類(lèi)型的 arduino 到另一種類(lèi)型沒(méi)有任何困難。

問(wèn)題是它真的很慢，需要大約 45 秒才能刷新。需要進(jìn)行一些優(yōu)化。

我實(shí)施了以下優(yōu)化：

刪除文件長(zhǎng)度驗(yàn)證。在上傳之前讀取整個(gè)文件以避免超出程序內(nèi)存邊界（實(shí)質(zhì)上是讀取文件兩次）。引導(dǎo)加載程序區(qū)域受到保護(hù)，因此如果它確實(shí)通過(guò)，將會(huì)發(fā)生的只是上傳失敗，因此這一步似乎是不必要的。

刪除了行校驗(yàn)和驗(yàn)證。十六進(jìn)制文件中的每一行都包含一個(gè)校驗(yàn)和，但如果它是錯(cuò)誤的，那么文件無(wú)論如何都會(huì)被破壞。你從哪里得到這個(gè)文件？只要有好的文件。

刪除了 clearPage 命令。我相信這是在向其上傳新數(shù)據(jù)之前清除目標(biāo)芯片上的工作頁(yè)面。這需要很長(zhǎng)時(shí)間，不做似乎不會(huì)造成任何問(wèn)題。一個(gè)副作用是最后一頁(yè)的末尾可能有重復(fù)或垃圾數(shù)據(jù)（唯一不會(huì)被新數(shù)據(jù)完全覆蓋的頁(yè)面），但如果你最終進(jìn)入該部分，你的程序就會(huì)偏離軌道無(wú)論如何，您只是想獲得一致的失敗狀態(tài)。

如果您確實(shí)需要此功能，更好的方法是將 0x00 寫(xiě)入僅最后一頁(yè)的未使用部分。

減少/消除 BB_DELAY_MICROSECONDS 延遲。編程信號(hào)通過(guò)軟件定義的 SPI 總線(xiàn)，BB_DELAY_MICROSECONDS 是保持每個(gè)時(shí)鐘周期上升或下降的微秒數(shù)。默認(rèn)值為 6，即 83KHz。SPI 總線(xiàn)可以很好地進(jìn)入 MHz 范圍，因此增加它應(yīng)該不是什么大問(wèn)題。我嘗試了 3，然后是 1，然后我用一些匯編 NOP 指令（在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)什么也不做）替換了微秒延遲，以延遲不到一微秒。

最后我把它調(diào)低到一個(gè) NOP，最大速度，沒(méi)有問(wèn)題。

刪除了上傳驗(yàn)證?；刈x整個(gè)上傳的閃存以驗(yàn)證需要很長(zhǎng)時(shí)間。為什么不運(yùn)行它看看會(huì)發(fā)生什么？

更改了 SPI 總線(xiàn)初始化 SPI_HALF_SPEED -> SPI_FULL_SPEED。半速應(yīng)該避免面包板上的錯(cuò)誤。我最終在調(diào)試過(guò)程中來(lái)回改變并且沒(méi)有注意到任何區(qū)別。我不認(rèn)為文件吞吐量是這里的瓶頸。

向 BB_SPITransfer() 添加了“inline”關(guān)鍵字。bit-bang spi 函數(shù)現(xiàn)在每秒被調(diào)用數(shù)百萬(wàn)次，所以我認(rèn)為內(nèi)聯(lián)它可以減少一些開(kāi)銷(xiāo)。我沒(méi)有衡量任何改進(jìn)。

刪除了 chipErase 命令。不得不撤消這一點(diǎn)。原來(lái)你必須在寫(xiě)之前擦除，你不能只是覆蓋。

這些變化結(jié)合起來(lái)使刷新時(shí)間減少到大約 7 秒！程序員將基于此代碼的修改版本。

部分

阿杜諾微型

基于 arduboy 中使用的相同 ATMega 32u4，該板斷開(kāi)了所有必要的引腳以進(jìn)行精確克隆。

比親微大，不過(guò)有保障的測(cè)試平臺(tái)還是不錯(cuò)的。

請(qǐng)注意，此版本具有更大的芯片封裝，因此可以將一些額外的電線(xiàn)直接焊接到芯片上并獲得與 arduboy 的完全引腳兼容性。

您確實(shí)至少需要其中三個(gè) - 一個(gè)用于面包板，一個(gè)用于最終項(xiàng)目，一個(gè)用于搞砸。

基于 328p 的 pro-mini 需要外部usb 轉(zhuǎn)串口設(shè)備對(duì)其進(jìn)行編程，但它比基于 32u4 的 pro-micro 上的虛擬串口可靠得多。

我最終將其用于程序員核心。

是的，我們將有一個(gè)帶有 2KB RAM 的 CPU 連接到 8GB 存儲(chǔ)空間。有點(diǎn)荒謬，但他們并沒(méi)有真正制造比這更小的 SD 卡。

這些用于最終版本的按鈕。為了進(jìn)行測(cè)試，我們將使用普通的觸覺(jué)開(kāi)關(guān)。

值得注意的是，它還具有低電壓截止功能，因此可以在其他項(xiàng)目中與裸鋰聚合物電池一起使用。

互聯(lián)網(wǎng)告訴我三星 Galaxy S4 是世界上最受歡迎的智能手機(jī)，所以我想有人會(huì)為它制造新電池。此外，它是一個(gè)很好的方形，很容易與其他組件配合使用。

購(gòu)買(mǎi)手機(jī)電池的一個(gè)大問(wèn)題是，大量電池是從電子垃圾箱中挑選出來(lái)并作為新電池出售的。這個(gè)很可能是電子垃圾，上面貼著紅色標(biāo)簽，但至少他們并沒(méi)有試圖將其假冒為正品。

這將從單個(gè) 3.7v LiPo 電池中為我們提供穩(wěn)定的 5 伏電壓。請(qǐng)注意，arduino 板上的穩(wěn)壓器只會(huì)向下調(diào)節(jié)，并且需要高得多的電壓。

額定300ma，應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。還有一個(gè)用于高電流應(yīng)用的MOSFET 開(kāi)關(guān)，但我認(rèn)為這不是必需的。

電池充電器上有一個(gè) USB 端口，但如果我們想要與 arduboy 建立數(shù)據(jù)連接，我們可以先使用這個(gè) breakout。

內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換為所需的 3.3v，具有卡檢測(cè)引腳，因此我們可以判斷何時(shí)插入了 SD 卡。

比壓電略好。

這個(gè)屏幕和arduboy的SSD1306控制器一模一樣，而且便宜，所以拿來(lái)測(cè)試。

幾乎是默認(rèn) arduboy 屏幕的兩倍，具有非常相似的 SSD1309 控制器。游戲可以通過(guò)一些小的十六進(jìn)制編輯轉(zhuǎn)換為使用此顯示。

?

面包板克隆

最好從復(fù)制已經(jīng)完成的事情開(kāi)始，然后再做新的事情。我使用 SSD_1306 屏幕和標(biāo)準(zhǔn)壓電在面包板上連接了一個(gè) arduboy 克隆，下載了游戲的源代碼并進(jìn)行了編譯。一切都立即有效。

當(dāng)我 10 歲的時(shí)候，我從音樂(lè)生日賀卡中取出壓電 - 我知道有一天它會(huì)派上用場(chǎng)。

增強(qiáng)型面包板克隆

我用更大的 SSD_1309 OLED 替換了屏幕，并用揚(yáng)聲器替換了壓電顯示器。使用arduboy 自制包和不同的屏幕選項(xiàng)重新編譯游戲效果很好。

重新閃現(xiàn)概念證明

這個(gè)概念證明證明可以在不連接到計(jì)算機(jī)的情況下在兩個(gè)不同的游戲之間切換。程序員核心位于前臺(tái)面包板上，帶有一些用于上傳狀態(tài)的 LED 和兩個(gè)硬編碼的專(zhuān)用按鈕，用于將兩個(gè)不同的十六進(jìn)制文件上傳到后臺(tái)的 arduboy 核心。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，顯示和移動(dòng)按鈕僅連接到 arduboy 核心。切換游戲時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些屏幕垃圾，因?yàn)槠聊慌c ICSP 在同一總線(xiàn)上，此時(shí)程序員核心無(wú)法將其關(guān)閉。

完整原型

這是一個(gè)更復(fù)雜的原型，它顯示了整個(gè)過(guò)程的工作。當(dāng)電源打開(kāi)時(shí)，arduboy 核心正常啟動(dòng)并開(kāi)始玩它在內(nèi)存中的任何游戲，而編程器核心進(jìn)入睡眠模式（由于編程核心上運(yùn)行的一些調(diào)試代碼，會(huì)出現(xiàn)短暫的重置問(wèn)題）。

然后當(dāng)你按下一個(gè)專(zhuān)用的菜單按鈕時(shí)，編程核心就會(huì)喚醒，在 arduboy 上拉 reset，翻轉(zhuǎn)一個(gè)多路復(fù)用器芯片來(lái)控制屏幕并顯示游戲菜單。它可以在列表中顯示任意數(shù)量的文件，并在您選擇時(shí)顯示每個(gè)游戲的 64x64 像素屏幕截圖。

程序員核心使用 SSD1306_text 庫(kù)的修改版本來(lái)顯示文本和圖形。有更精細(xì)的圖形庫(kù)可用，但要進(jìn)行 SD 卡讀取和 ICSP 編程，閃存空間和內(nèi)存非常寶貴。我修改了庫(kù)以使用具有比例間距的自定義壓縮字體，并編寫(xiě)了一個(gè)命令行實(shí)用程序?qū)?png 圖像轉(zhuǎn)換為可以直接嵌入到 arduino 草圖中的字體字節(jié)。

通常為了顯示這樣的列表，我會(huì)把整個(gè)東西加載到 ram 中并完成，但我們只有 2KB 的 ram，其中 75% 已經(jīng)在使用中。我們甚至沒(méi)有足夠的空間來(lái)緩沖屏幕上顯示的文本。文件系統(tǒng)也是 FAT32，在 arduino 上只支持 8.3 文件名。這兩個(gè)問(wèn)題的解決方案是使用一個(gè)預(yù)生成的列表文件，其中包含較短的 8.3 十六進(jìn)制文件名和較長(zhǎng)的顯示名稱(chēng)。列表文件中的條目是固定長(zhǎng)度的，所以我們可以很容易地跳到任何一行，閱讀它，并在我們進(jìn)行時(shí)將顯示名稱(chēng)打印到屏幕上。

屏幕截圖是從單獨(dú)的文件中讀取的，并一次一個(gè)字節(jié)地打印到屏幕上。它是在某種文本模式下完成的，其中 8 像素高的水平行填充有垂直條紋（每個(gè)一個(gè)字節(jié)）。我編寫(xiě)了另一個(gè)命令行實(shí)用程序，可以將 png 屏幕截圖轉(zhuǎn)換為特殊格式并一次性生成列表文件。通過(guò)這種方式，您可以在您的計(jì)算機(jī)上保存一組具有常規(guī)長(zhǎng)文件名和匹配屏幕截圖的游戲文件，然后只需運(yùn)行該實(shí)用程序，然后再將所有內(nèi)容上傳到 SD 卡。

硬件計(jì)劃

還有一些組件需要完成：電池、聲音和 RGB LED。我測(cè)試了電流消耗，最大電流約為 200ma，所以我可能會(huì)使用手機(jī)電池來(lái)確保較長(zhǎng)的電池壽命。我用來(lái)測(cè)試的揚(yáng)聲器很好很薄，但它的直徑很大，我可能會(huì)貨比三家，買(mǎi)一個(gè)小一點(diǎn)的。我還需要一個(gè)指輪電位器來(lái)調(diào)節(jié)音量，我不得不求助于 ebay - 他們不再真正制造它們了，所有新東西都使用數(shù)字電位器，這只會(huì)使事情復(fù)雜化。

arduboy 上的 RGB LED 是共陽(yáng)極，幸運(yùn)的是，我周?chē)乃?LED 都是共陰極。我想在設(shè)備的頂部或側(cè)面做一些光管設(shè)計(jì)，讓它不僅僅是一個(gè)點(diǎn)光源。Bezek上的光管運(yùn)行良好。

對(duì)于按鈕，我計(jì)劃使用 NES 控制器維修套件中的橡膠圓頂（仍在制作新的）。我計(jì)劃將按鈕與外殼一起用鋁加工出來(lái)。

軟件計(jì)劃

我希望能夠通過(guò)按左/右鍵在菜單的不同顯示模式之間循環(huán)。一方面是純文本顯示，每個(gè)游戲的 1-5 星評(píng)級(jí)，然后是當(dāng)前名稱(chēng)/屏幕截圖拆分，然后是完整屏幕截圖顯示。可能還有標(biāo)題屏幕顯示。

有些游戲保存高分或?qū)⒂螒虮４娴?512 字節(jié)的 EEPROM 中。我希望能夠在切換游戲時(shí)備份和恢復(fù)這些數(shù)據(jù)。

案例設(shè)計(jì)

這是一個(gè)透明視圖，顯示了外殼頂部和一些內(nèi)部組件的切口。外殼設(shè)計(jì)為銑削，因此內(nèi)角需要倒圓角。

這是一個(gè)有點(diǎn)復(fù)雜的裝配，所以我在 3D Studio 中制作了一些模型以確保一切都合適。

1 / 4 ?組裝設(shè)備的渲染圖。白色條是 RGB LED 的光管。

電路板設(shè)計(jì)

DesignSpark PCB 布局

我使用 DesignSpark PCB 來(lái)...設(shè)計(jì)（激發(fā)？）PCB。跡線(xiàn)布局是手動(dòng)布線(xiàn)和自動(dòng)布線(xiàn)器的混合，之后會(huì)進(jìn)行調(diào)整。我在仔細(xì)檢查所有內(nèi)容時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，希望我都能找到它們！

我導(dǎo)出了 gerber 文件并將它們上傳到 OSHPark 進(jìn)行制造。

1 / 2 ? OSHPark 正面渲染

OSHPark 的物理 PCB。

1 / 2 ?安裝屏幕，間隙問(wèn)題。

我犯了一個(gè)明顯的錯(cuò)誤，部分電路板擋住了屏幕模塊上的某些組件。幸運(yùn)的是，電路板的那部分沒(méi)有痕跡，所以只需要一點(diǎn)銼就可以修復(fù)它。

組裝電子產(chǎn)品，正面

組裝電子產(chǎn)品，后部

電子設(shè)備的背面。電池設(shè)計(jì)為與電線(xiàn)連接，但由于焊盤(pán)在 PCB 上抬起，因此連接到主開(kāi)關(guān)的電線(xiàn)需要維修。我應(yīng)該擴(kuò)展 PCB 以從所有 4 個(gè)角支持 USB 充電模塊，并從一開(kāi)始就將其粘住。

表殼加工

剛加工完。

呃……長(zhǎng)話(huà)短說(shuō)，我用鋁加工了一個(gè)箱子。我在當(dāng)?shù)氐膭?chuàng)客空間使用了 Bridgeport V2XT。它不是這項(xiàng)工作的理想機(jī)器，因?yàn)橹鬏S在 4000rpm 時(shí)達(dá)到上限 - 對(duì)于 1/8" 鋁制刀具，您確實(shí)需要 20, 000+ rpm 才能獲得適當(dāng)?shù)谋砻嫠俣?。刀具夾持設(shè)置存在一些錯(cuò)誤不夠安全，最重要的是我在編程時(shí)犯了一個(gè)錯(cuò)誤，所以 D-Pad 和菜單按鈕孔最終太大了。不過(guò)它仍然可以通過(guò)。

外殼和按鈕，清理干凈。

自然地，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的加工，我折斷了其中一個(gè)螺絲孔內(nèi)的絲錐。我只是把它留在那兒了。剩余的螺絲足以將其牢固地固定在一起。

外殼的外面。

由于振動(dòng)，它有點(diǎn)條紋。這本可以通過(guò)使用更厚的固定片或帶有定制軟鉗口的虎鉗來(lái)避免。在后面板右側(cè)的最后一次通過(guò)時(shí)，抖動(dòng)特別嚴(yán)重。

1 / 3 ?按鈕到位。

完畢！

在這里它已經(jīng)完全組裝好了！

給電池充電。

我用亞克力制作了一根導(dǎo)光管，將充電狀態(tài) LED 引導(dǎo)至外殼外部。

燈管特寫(xiě)。

當(dāng)電池充滿(mǎn)電時(shí)，指示燈變?yōu)樗{(lán)色。

文件

該 zip 包含 ICSP flasher arduino 項(xiàng)目、C++ 二進(jìn)制文件和用于轉(zhuǎn)換屏幕截圖、PCB 文件以及外殼和按鈕的 STL 文件的源代碼。

我不希望任何人能夠直接使用它，但如果您有類(lèi)似的項(xiàng)目，它可能會(huì)對(duì)您有所幫助。

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