復(fù)古游戲掌機(jī)

60 多年過(guò)去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過(guò)去經(jīng)典的敬意。

這是一款基于ESP32的開(kāi)源復(fù)古游戲掌機(jī)，是很多年前的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，我在開(kāi)源項(xiàng)目基礎(chǔ)上做了一些優(yōu)化，更改了顯示屏硬件，重新繪制了PCB，對(duì)原作者表示感謝！

復(fù)古游戲掌機(jī)使用Arduino IDE編程，游戲文件存放于存儲(chǔ)卡中，支持游戲選擇，理論游戲數(shù)量有很多，可以暢玩很多經(jīng)典游戲，是一款兒時(shí)夢(mèng)寐以求的指尖游戲機(jī)，一秒找回童年記憶。

演示視頻

材料介紹

主控

復(fù)古游戲掌機(jī)主控采用 ESP32-WROVER-E 模 塊（ 見(jiàn) 圖 1），ESP32-WROVER-E 采用的芯片是ESP32 系列的 ESP32-D0WD-V3。ESP32-D0WD-V3芯片具有可擴(kuò)展、自適應(yīng)的特點(diǎn)。兩個(gè) CPU 可以被單獨(dú)控制。CPU 時(shí)鐘頻率的調(diào)節(jié)范圍為 80~240 MHz，集成了豐富的外設(shè)，包括電容式觸摸傳感器、霍爾傳感器、Micro SD 卡接口、以太網(wǎng) 接 口、 高 速 SPI、UART、I2S和 IPC 等。模塊集成了傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和 Wi-Fi，具有廣泛的用途。

圖 1 ESP32-WROVER-E 模塊

選 用 ESP32-WROVER-E 模塊除了功能強(qiáng)大，還有一個(gè)重要原因是這個(gè)模塊擁有片外內(nèi)存區(qū) —— PSRAM，對(duì)于游戲文件超過(guò) 1MB 的情況就需要片外內(nèi)存區(qū)了。這個(gè)模塊PSRAM 大小有 8MB，有 4MB 可用，足夠 1M 大小的游戲文件運(yùn)行了。

液晶顯示屏

顯示屏使用 3.2 英寸液晶顯示屏（ 見(jiàn) 圖 2）， 分 辨 率 為 320 像素 ×240 像 素， 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 型 號(hào) 為ILI9341，ILI9341 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 提 供 8位 /9 位 /16 位 /18 位的并行 MCU 數(shù)據(jù) 總 線(xiàn)，6 位 /16 位 /18 位 RGB 接口數(shù)據(jù)總線(xiàn)以及 3 線(xiàn) /4 線(xiàn) SPI 接口，本項(xiàng)目采用通信方式為 4 線(xiàn) SPI，接口方式為 40Pin 插接式。

圖 2 3.2 英寸液晶顯示屏

無(wú)聲貼片開(kāi)關(guān)

復(fù)古游戲掌機(jī)按鍵采用無(wú)聲 貼 片 開(kāi) 關(guān)（ 見(jiàn) 圖 3）， 大 小 為6mm×6mm×5mm，這款開(kāi)關(guān)按力均勻，手感柔軟均勻舒適，壽命在 20萬(wàn)次以上。

圖 3 無(wú)聲貼片開(kāi)關(guān)

電路設(shè)計(jì)

主控部分

ESP32-WROVER-E 模 塊 的引腳分配給按鍵、顯示屏和存儲(chǔ)卡模塊，主控電路如圖 4 所示。

圖 4 主控電路

下載電路

本項(xiàng)目使用 CH340C 芯片，該芯片內(nèi)置晶體振蕩器，可以省去晶體振蕩器電路，價(jià)格便宜，電路簡(jiǎn)單，配合三極管可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下載功能，下載電路如圖 5 所示。

圖 5 下載電路

供電及穩(wěn)壓電路

供電電路使用了 2 個(gè) Micro USB接口，方便后期從上下兩個(gè)方向供電。穩(wěn)壓電路使用 LM1117S-3.3 芯片，這是一種常見(jiàn)的穩(wěn)壓芯片，價(jià)格便宜，電路簡(jiǎn)單，供電及穩(wěn)壓電路如圖6所示。

圖 6 供電及穩(wěn)壓電路

存儲(chǔ)電路

掌機(jī)存儲(chǔ)電路的卡座采用的是市面上常見(jiàn)的 Micro SD 卡卡座，體積小，通信接口為標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口，通過(guò)文件系統(tǒng)及 SPI 接口驅(qū)動(dòng)程序，單片機(jī)系統(tǒng)即可完成 Micro SD 卡內(nèi)的文件讀寫(xiě)，存儲(chǔ)電路如圖 7 所示。

圖 7 存儲(chǔ)電路

鋰電池充電電路

鋰電池充電電路里使用了TP4056 芯片，TP4056 是一款完整的單節(jié)鋰電池恒定電流 / 恒定電壓線(xiàn)性充電芯片。充電電壓固定在 4.2V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻進(jìn)行外部設(shè)置，在充電狀態(tài)時(shí)，充電指示燈 LED4（紅色）亮；充滿(mǎn)電后 LED4 滅，待機(jī)指示燈 LED3（綠色）亮。TP4056 芯片采用 ESOP8 封裝，配合較少的外圍元器件使其非常適用于便攜式產(chǎn)品，并且適合給 USB 電源以及適配器電源供電，鋰電池充電電路如圖 8 所示。

圖 8 鋰電池充電電路

音頻電路

音頻電路中使用了一個(gè)8Ω/1W、直徑為 13mm 的揚(yáng)聲器用于播放游戲背景音樂(lè)，用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制揚(yáng)聲器是否工作，電路中留出兩路供電電路來(lái)選擇揚(yáng)聲器的音量，音頻電路如圖 9所示。這只是個(gè)簡(jiǎn)單的音頻電路，俗話(huà)說(shuō)“聽(tīng)個(gè)響”，但是這種復(fù)古音質(zhì)正好和復(fù)古游戲呼應(yīng)，相得益彰。

圖 9 音頻電路

顯示屏驅(qū)動(dòng)電路中采用了一個(gè)0.5mm 間距 FPC 上接抽拉式貼片連接器，通過(guò)短接開(kāi)關(guān)可選擇 4 線(xiàn)SPI 連接方式，電路中還引出了兩組顯示屏接口，接口順序和市面上其他常見(jiàn)顯示屏模塊的引腳順序相同，通過(guò)修改程序，可以兼容更多 4 線(xiàn)SPI 驅(qū)動(dòng)的顯示屏，顯示屏驅(qū)動(dòng)電路如圖 10 所示。

圖 10 顯示屏驅(qū)動(dòng)電路

PCB設(shè)計(jì)

為了方便電路板打樣，我把電路板的長(zhǎng)寬都限制在邊長(zhǎng)為 10cm 的正方形里，所以 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，所有元器件采用旋轉(zhuǎn) 45°放置的方式，充分利用正方形的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，液晶顯示屏居中放置，操作按鍵在顯示屏兩側(cè)。PCB整體布局如圖 11 所示，PCB 整體效果如圖 12 所示。

圖 11 PCB 整體布局

圖 12 PCB 整體效果

程序介紹

編程環(huán)境

使用 Arduino IDE 1.8.16 版本，軟件中的開(kāi)發(fā)板管理器 ESP32 庫(kù)版本為 1.0.6（見(jiàn)圖 13）。

圖 13 Arduino IDE 版本以及 ESP32 庫(kù)版本

源程序說(shuō)明

源程序文件包含如下內(nèi)容。

● esp32gamepad.ino ：主文件。

● controller.cpp：控 制 器， 主要是按鍵類(lèi)型和搖桿類(lèi)定義。

● display.cpp：顯 示 屏 驅(qū) 動(dòng)文件。

● hw_config.h：文件系統(tǒng)定義、音頻引腳及按鍵引腳定義。

● osd.c ：操作系統(tǒng)處理函數(shù)。

● sound.c：音頻系統(tǒng)函數(shù)。

一般只需要修改 esp32gamepad.ino、display.cpp、hw_config.h 這 3個(gè)文件即可。

程序編寫(xiě)

1. 導(dǎo)入庫(kù)和選擇開(kāi)發(fā)板類(lèi)型

這 個(gè) 項(xiàng) 目 中 使 用 了 Arduino_GFX 庫(kù) 和 arduino-nofrendomaster 庫(kù)，需要將下載好的庫(kù)文件放置在 Arduino IDE 的 libraries 文件夾中，否則會(huì)編譯失敗。

Arduino 編譯時(shí)，開(kāi)發(fā)板類(lèi)型選擇 “ESP32 Wrover Module”（ 見(jiàn)圖 14）。

圖 14 選擇開(kāi)發(fā)板類(lèi)型

2. 自定義按鍵

按照原理圖對(duì)游戲掌機(jī)的按鍵進(jìn)行定義，如程序 1 所示。

顯示屏移植

原 項(xiàng) 目 使 用 的 是 ST7789 驅(qū) 動(dòng)的 2.4 英 寸 液 晶 顯 示 屏， 我 這 里 改成 ILI9341 驅(qū)動(dòng)的 3.2 英寸液晶顯示屏，所以程序中需要修改，需要注意的是原項(xiàng)目中定義總線(xiàn)類(lèi)型的語(yǔ)句中，IPS 是否為高清屏的內(nèi)容改成Arduino_ILI9341 驅(qū)動(dòng)后需要?jiǎng)h除，因?yàn)閹?kù)文件中沒(méi)有相關(guān)的定義，不修改編譯無(wú)法通過(guò)，原項(xiàng)目相關(guān)程序如程序 2 所示，移植后的程序如程序3所示。如果需要其他類(lèi)型顯示屏，可在 Arduino_GFX\sr\display 這個(gè)文件夾中查找，有列的就是支持的。

復(fù)古游戲掌機(jī)的使用

（1）準(zhǔn)備一張 Micro SD 卡，格式化成 FAT32 格式，將提前下載好的擴(kuò)展名是 .nes 的游戲文件復(fù)制到存儲(chǔ)卡根目錄，游戲名用英文。

（2）開(kāi)機(jī)后顯示屏上如果提示“Filesystem mount failed! try to restart.”，說(shuō)明存儲(chǔ)卡掛載失敗，可以嘗試斷電重啟，若兩三次重啟后仍然無(wú)法使用，請(qǐng)檢查存儲(chǔ)卡或者電路。

（3） 開(kāi) 機(jī) 存 儲(chǔ) 卡 掛 載 成 功 后會(huì)顯示一張圖片，顯示屏上方顯示“waiting”字樣。

（4）在“waiting”字樣界面下，使用 left 和 right 按鍵可以調(diào)整亮度，立即生效，亮度最小 10，最大 255，支持重啟后記住之前的設(shè)定值。

（5）在“waiting”字樣界面下，按一次 A 鍵，則會(huì)瀏覽根目錄文件，如果不是游戲文件，則會(huì)顯示“Not a game file, please select again.”，需要繼續(xù)按 A 鍵繼續(xù)選擇，直到出現(xiàn).nes 的游戲文件。

（6）出現(xiàn) .nes 游戲文件名顯示后，按 mode 按鍵確認(rèn)即可開(kāi)始游戲。

（7）進(jìn)入游戲后根據(jù)游戲中的按鍵提示進(jìn)行操作即可。

成果展示

制作完成的復(fù)古游戲掌機(jī)如圖 15所示。

圖 15 NES 游戲掌機(jī)

復(fù)古游戲掌機(jī)做完后，我迫不及待打開(kāi)了小時(shí)候玩的第一個(gè)游戲，伴隨著熟悉的背景音樂(lè)，以一種老玩家從容不迫的心態(tài)無(wú)傷通過(guò)了第一關(guān)，一切都是那么熟悉，此時(shí)手里捧著的不再是一臺(tái)游戲機(jī)，而是童年時(shí)期的夢(mèng)想。

現(xiàn)在，畫(huà)面震撼、玩法多樣的游戲每年都會(huì)推陳出新，自制游戲機(jī)項(xiàng)目每年也在不斷革新，我在自己能力范圍內(nèi)制作了屬于自己的復(fù)古游戲掌機(jī)，也算是還了一個(gè)“童年債”。每次玩起這些老游戲，我總能想起那些遙遠(yuǎn)的、計(jì)算機(jī)還沒(méi)普及的寒暑假，打開(kāi)游戲機(jī)，選擇好上次沒(méi)能通關(guān)的游戲，那時(shí)候我最不缺的就是時(shí)間。