MicroByte：基于ESP32 DIY復(fù)古游戲機(jī)

MicroByte 是一款微型主機(jī)，能夠運(yùn)行 NES、GameBoy、GameBoy Color、Game Gear 和 Sega Master 系統(tǒng)的游戲，所有元器件都設(shè)計(jì)在這 78 x 17 x 40 mm 的封裝中。盡管成品尺寸很小，但它符合 SNES 游戲板的布局并且具有操作按鈕。它還配有一個(gè)清晰的 1.3 英寸 IPS 顯示屏，可以看到游戲的所有細(xì)節(jié)。

隨后還會(huì)更新 Python 和 Arduino 庫以便進(jìn)行游戲以外的開發(fā)工作。

固件、PCB 設(shè)計(jì)、外殼 3D 文件等可以在文末下載。

BOM 清單：https://github.com/jfm92/microByte_PCB/blob/main/microByte_BOM.xlsx

項(xiàng)目架構(gòu)

通常啟動(dòng)電子項(xiàng)目時(shí)，首先會(huì)創(chuàng)建一個(gè)框圖，其中設(shè)置項(xiàng)目所需的功能及交互的方式，然后繪制原理圖。在原理圖上，選擇符合要求的元器件并進(jìn)行電氣連接，之后進(jìn)行 PCB 布局設(shè)計(jì)。最后，按照設(shè)計(jì)規(guī)則和物理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)置每個(gè)元器件基座的位置。

上面是以面包板為原型的原始版本，下面是最終版本。

此處將按照模塊化思想進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，輔以原理圖設(shè)計(jì)和 PCB 布局設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目原理圖和 PCB 布局是用 Kicad 設(shè)計(jì)的，下載鏈接：https://github.com/jfm92/microByte_PCB/tree/5cb0fcf7a9658e331d677588a7f35327a7d491d7

要打開它，只需安裝 Kicad 并雙擊 .pro 文件。

ESP32 微控制器

首先選擇合適的微控制器，對于該項(xiàng)目，選擇 ESP32 Wrover E 模塊。該模塊/微控制器特點(diǎn)：具有 240 MHZ 雙核、16 MB 閃存、8 MB RAM、超低功耗協(xié)處理器、支持 Wi-Fi 和藍(lán)牙以及全套外圍設(shè)備和 GPIO，仿真性能極佳。

設(shè)計(jì)中可參考 Espressif，數(shù)據(jù)表如下：https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wrover-e_esp32-wrover-ie_datasheet_en.pdf

電路板模塊的原理圖：

中間是與外圍設(shè)備連接的 ESP32 模塊。

引腳 25 是 IO 0 引腳。該引腳為選擇設(shè)備的引導(dǎo)狀態(tài)，可以閃存新固件或啟動(dòng)已閃存的固件。信號(hào)為高，啟動(dòng)已閃存的固件；信號(hào)為低，啟動(dòng)引導(dǎo)模式，并等待新固件。

引腳 3 是啟用引腳（又名復(fù)位）。如果這個(gè)引腳是高電平，微控制器將工作，否則不工作。為了避免信號(hào)彈跳，此處有一個(gè) RC 電路（電阻/電容），在板啟動(dòng)或跳變時(shí)產(chǎn)生干凈的信號(hào)，以防止意外復(fù)位。由于該電路沒有復(fù)位按鈕，因此并不是完全必要，但最好保持謹(jǐn)慎。

引腳 24 是 IO 2 引腳，連接了一個(gè)帶電阻器的藍(lán)色 LED，起到顯示通知的作用。讓我們看看引腳 2 或 VDD 3V3。這引腳是給芯片供電的，電壓 3.3 V。注意并聯(lián)電容器，這些電容器是去耦電容器，用于清除寄生干擾。

下面是 PCB 設(shè)計(jì)布局和 PCB 板中重點(diǎn)研究的部分。

除此之外，相關(guān)的組件必須盡可能靠近。

添加 USB 模塊

USB 收發(fā)器是一個(gè)將 USB 信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行、RS232 或其他類似協(xié)議的芯片。在市場上，有各種各樣的型號(hào)可供選擇，此處使用 CH340C。

CH340C 不需要像 CH340G 一樣的外部時(shí)鐘，其用法簡單，價(jià)格是 CP2102 或 FT232 的一小部分。

圖的右側(cè)所示。它的設(shè)計(jì)非常簡單，只有一塊芯片，上面有兩個(gè)去耦電容和一個(gè) 0 歐姆的電阻。如果不確定是否必須進(jìn)行連接，則將這種電阻器用作電橋。

右邊是 USB-C 連接器的示意圖。其作用是連接到 PC 并給電池充電。在 PCB 布線時(shí)，使用 USB-C 更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰砑与p連接，可以在任何方向使用導(dǎo)線。

提示：USB 信號(hào)是并行高速信號(hào)，必須盡量平行布線，避免信號(hào)間的串?dāng)_，并盡量將信號(hào)線布在靠近數(shù)字邏輯芯片的地方。

電池與電源管理

此處分為三個(gè)部分：電池充電和保護(hù)電路、電源管理和電池電量控制。電池充電和保護(hù)電路：

對于 Li-Po 電池的使用，安全第一，需要做一個(gè)正確的恒流充電控制器，使它不要在 4.2 V 以上充電或在 2.8 V 以下對電池放電，以免損壞電池。

TP4056 是一個(gè)鋰聚合物電池充電器芯片，可提供恒定的線性電壓電流，還可以通過修改 R 2 的阻值設(shè)置充電電流。切記充電電流應(yīng)為電池容量的 25 % 左右。此芯片連接到 LED D1，以顯示電池的充電狀態(tài)。

FS312F-G 是一個(gè)電池保護(hù)電路芯片，如果檢測到電池過度充電或過度放電，它會(huì)切斷電池的使用。這樣可以避免損壞電池。

FS8205 是一個(gè)集成兩個(gè) MOSFET 晶體管以選擇電路功率的芯片，如果電池處于合適的范圍內(nèi)，它將從電池中獲取能量，如果將設(shè)備連接到 USB 端口，它將直接利用 USB 的能量工作。

電源管理：

該模塊是電壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路，可提供 3.3 V 的恒定電壓。鋰電池的最大充電電壓為 4.2 V，最小安全電壓為 2.8 V。因此，需要提供恒定電壓以避免微控制器不穩(wěn)定或顯示器上的亮度較低。為解決這個(gè)問題，此處使用 MT3608，它是一種可配置的升壓電壓轉(zhuǎn)換器。在該電路的輸出端，電壓為 4.2 V，高于器件所需的 3.3 V，所以使用 MCP1700 電壓轉(zhuǎn)換器將電壓從 4.2 V 轉(zhuǎn)換為 3.3 V。

這個(gè)方案可能存在過度設(shè)計(jì)或效率低下的問題，但這是最便宜有效的解決方案。

電池電量控制：

就像升壓電路前的分壓器一樣簡單。此點(diǎn)的電壓最大將達(dá)到 4.2 V，因此僅需設(shè)計(jì)一個(gè)降至 3.3 V 的分壓器以遵守 ESP32 的邏輯電平并將其連接到 ADC GPIO 即可測量模擬電平信號(hào)。

設(shè)計(jì) SD 卡模塊

SD 卡使用 SPI 協(xié)議，這是一種雙向通信，可實(shí)現(xiàn)高速通信。使用外設(shè)時(shí)，不必?fù)?dān)心串?dāng)_，因?yàn)樗乃俣炔蛔阋援a(chǎn)生磁場（至少此處沒有任何問題）。

電路也非常簡單，將每條線連接到 MCU 的 SPI GPIO 口并添加一個(gè)上拉電阻。該電阻對于保持線路上的恒定高電平并避免可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g電平信號(hào)很重要。

此處還有我們的老朋友去耦電容器。

音頻輸出

使用 ESP32，有兩種方式輸出音頻。通過檢查數(shù)據(jù)表，此處可以使用集成的 I2S 到 DAC 轉(zhuǎn)換器或直接使用 I2S 外設(shè)。

獲得音頻輸出的最簡單方法是使用 I2S 到 DAC 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榭梢詫P(yáng)聲器直接連接到 GPIO，如果音頻音量很低，則可以使用模擬音頻放大器，這非常容易實(shí)施。但是這種解決方案也帶來了一些不便。DAC 僅使用 I2S 16 位中的 8 位，這意味著將丟失很多音頻信息，導(dǎo)致音頻質(zhì)量非常差。

I2S 是一種數(shù)字音頻協(xié)議，可保證高保真音頻，而不造成質(zhì)量損失或噪聲。但需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器模擬轉(zhuǎn)換器和放大器收到的東西。此處采用 MAX98357 音頻放大器。該放大器將 I2S 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并將其放大以直接用于接揚(yáng)聲器或耳機(jī)。該放大器/轉(zhuǎn)換器可為我們提供 6.4W 的輸出功率，并具有可配置的輸出選擇——在單聲道或立體聲音頻之間進(jìn)行選擇和阻抗選擇。

免責(zé)聲明：我對音頻的了解不是很深，所以一些音頻數(shù)據(jù)可能是錯(cuò)誤的，僅供參考。

添加按鍵

ESP32 是一個(gè)不錯(cuò)的模塊，但它的 GPIO 端口數(shù)量很少。但是不用擔(dān)心，我們有 TCA9555 解決方案。

TCA9555 是 I2C GPIO 多路復(fù)用器。該器件最多允許使用 18 個(gè)額外的 GPIO。這些 GPIO 可用作輸入或輸出，并可通過 I2C 進(jìn)行控制或檢查。因此，僅使用兩個(gè) GPIO（I2C SDA 和 I2C SCLK），就有了 18 個(gè)額外的 GPIO！延遲不是問題，因?yàn)榭梢宰x取或?qū)懭敫哌_(dá) 400 Khz的數(shù)據(jù)，這意味著每秒 400000 次！

讓我們看一下原理圖。該多路復(fù)用器可與 I2C 一起使用，因此需要上拉每個(gè)信號(hào)以避免線路上的噪聲。它也有一個(gè)中斷引腳，但未使用。I2C 信號(hào)為 SCL 和 SDA 引腳（19 和 20）。需要通過硬件配置設(shè)備的地址，此配置通過設(shè)置引腳 A0、A1 和 A2 的邏輯電平來完成。此處只有一個(gè) I2C 設(shè)備，因此給出地址 0x00。

最后，所有開關(guān)按鈕都直接連接到芯片，我們通過軟件配置設(shè)置了上拉或下拉電阻，因?yàn)樵摱嗦窂?fù)用器具有可配置的內(nèi)部電阻。

該設(shè)備的有趣之處之一是電感式按鈕，它們是沒有絲印層的 PCB 布線，因此，帶有碳膜的橡膠按鈕可以用作開關(guān)按鈕。這是游戲手柄上的常規(guī)配置。如果要在設(shè)計(jì)中使用，可以在項(xiàng)目附帶的庫中找到。

配一款亮麗的顯示屏

顯示器采用 IPS 1.3 英寸屏幕，分辨率為 240 x 240 px，可以提供非常漂亮的色彩和清晰的圖像。通信協(xié)議是 SPI，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70 FPS 的幀速率（數(shù)據(jù)表中注明）。另一方面，可以控制顯示器的背光以選擇亮度等級。通過 BS138 MOSFET 晶體管完成控制顯示屏上嵌入的 LED 的電流。

完成

現(xiàn)在就可以運(yùn)行這臺(tái)復(fù)古游戲機(jī)了，開啟你的復(fù)古游戲回憶之旅吧！

原文作者：JuanF92

審核編輯：湯梓紅