復古游戲掌機

60 多年過去了，盡管輝光管已經停產，有很多工程師仍然對它情有獨鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個擬輝光管時鐘，感受復古元素的美感，表達對過去經典的敬意。

這是一款基于ESP32的開源復古游戲掌機，是很多年前的一個開源項目，我在開源項目基礎上做了一些優(yōu)化，更改了顯示屏硬件，重新繪制了PCB，對原作者表示感謝！

復古游戲掌機使用Arduino IDE編程，游戲文件存放于存儲卡中，支持游戲選擇，理論游戲數(shù)量有很多，可以暢玩很多經典游戲，是一款兒時夢寐以求的指尖游戲機，一秒找回童年記憶。

演示視頻

材料介紹

主控

復古游戲掌機主控采用 ESP32-WROVER-E 模 塊（ 見 圖 1），ESP32-WROVER-E 采用的芯片是ESP32 系列的 ESP32-D0WD-V3。ESP32-D0WD-V3芯片具有可擴展、自適應的特點。兩個 CPU 可以被單獨控制。CPU 時鐘頻率的調節(jié)范圍為 80~240 MHz，集成了豐富的外設，包括電容式觸摸傳感器、霍爾傳感器、Micro SD 卡接口、以太網 接 口、 高 速 SPI、UART、I2S和 IPC 等。模塊集成了傳統(tǒng)藍牙、低功耗藍牙和 Wi-Fi，具有廣泛的用途。

圖 1 ESP32-WROVER-E 模塊

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

液晶顯示屏

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

圖 2 3.2 英寸液晶顯示屏

無聲貼片開關

復古游戲掌機按鍵采用無聲 貼 片 開 關（ 見 圖 3）， 大 小 為6mm×6mm×5mm，這款開關按力均勻，手感柔軟均勻舒適，壽命在 20萬次以上。

圖 3 無聲貼片開關

電路設計

主控部分

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

圖 4 主控電路

下載電路

本項目使用 CH340C 芯片，該芯片內置晶體振蕩器，可以省去晶體振蕩器電路，價格便宜，電路簡單，配合三極管可實現(xiàn)自動下載功能，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 Micro USB接口，方便后期從上下兩個方向供電。穩(wěn)壓電路使用 LM1117S-3.3 芯片，這是一種常見的穩(wěn)壓芯片，價格便宜，電路簡單，供電及穩(wěn)壓電路如圖6所示。

圖 6 供電及穩(wěn)壓電路

存儲電路

掌機存儲電路的卡座采用的是市面上常見的 Micro SD 卡卡座，體積小，通信接口為標準 SPI 接口，通過文件系統(tǒng)及 SPI 接口驅動程序，單片機系統(tǒng)即可完成 Micro SD 卡內的文件讀寫，存儲電路如圖 7 所示。

圖 7 存儲電路

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 / 恒定電壓線性充電芯片。充電電壓固定在 4.2V，而充電電流可通過一個電阻進行外部設置，在充電狀態(tài)時，充電指示燈 LED4（紅色）亮；充滿電后 LED4 滅，待機指示燈 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8Ω/1W、直徑為 13mm 的揚聲器用于播放游戲背景音樂，用一個開關控制揚聲器是否工作，電路中留出兩路供電電路來選擇揚聲器的音量，音頻電路如圖 9所示。這只是個簡單的音頻電路，俗話說“聽個響”，但是這種復古音質正好和復古游戲呼應，相得益彰。

圖 9 音頻電路

顯示屏驅動電路中采用了一個0.5mm 間距 FPC 上接抽拉式貼片連接器，通過短接開關可選擇 4 線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顯示屏模塊的引腳順序相同，通過修改程序，可以兼容更多 4 線SPI 驅動的顯示屏，顯示屏驅動電路如圖 10 所示。

圖 10 顯示屏驅動電路

PCB設計

為了方便電路板打樣，我把電路板的長寬都限制在邊長為 10cm 的正方形里，所以 PCB 設計時，所有元器件采用旋轉 45°放置的方式，充分利用正方形的對角線長度，液晶顯示屏居中放置，操作按鍵在顯示屏兩側。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，軟件中的開發(fā)板管理器 ESP32 庫版本為 1.0.6（見圖 13）。

圖 13 Arduino IDE 版本以及 ESP32 庫版本

源程序說明

源程序文件包含如下內容。

● esp32gamepad.ino ：主文件。

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

● display.cpp：顯 示 屏 驅 動文件。

● 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個文件即可。

程序編寫

1. 導入庫和選擇開發(fā)板類型

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

Arduino 編譯時，開發(fā)板類型選擇 “ESP32 Wrover Module”（ 見圖 14）。

圖 14 選擇開發(fā)板類型

2. 自定義按鍵

按照原理圖對游戲掌機的按鍵進行定義，如程序 1 所示。

顯示屏移植

原 項 目 使 用 的 是 ST7789 驅 動的 2.4 英 寸 液 晶 顯 示 屏， 我 這 里 改成 ILI9341 驅動的 3.2 英寸液晶顯示屏，所以程序中需要修改，需要注意的是原項目中定義總線類型的語句中，IPS 是否為高清屏的內容改成Arduino_ILI9341 驅動后需要刪除，因為庫文件中沒有相關的定義，不修改編譯無法通過，原項目相關程序如程序 2 所示，移植后的程序如程序3所示。如果需要其他類型顯示屏，可在 Arduino_GFX\sr\display 這個文件夾中查找，有列的就是支持的。

復古游戲掌機的使用

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

（2）開機后顯示屏上如果提示“Filesystem mount failed! try to restart.”，說明存儲卡掛載失敗，可以嘗試斷電重啟，若兩三次重啟后仍然無法使用，請檢查存儲卡或者電路。

（3） 開 機 存 儲 卡 掛 載 成 功 后會顯示一張圖片，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定值。

（5）在“waiting”字樣界面下，按一次 A 鍵，則會瀏覽根目錄文件，如果不是游戲文件，則會顯示“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 按鍵確認即可開始游戲。

（7）進入游戲后根據(jù)游戲中的按鍵提示進行操作即可。

成果展示

制作完成的復古游戲掌機如圖 15所示。

圖 15 NES 游戲掌機

復古游戲掌機做完后，我迫不及待打開了小時候玩的第一個游戲，伴隨著熟悉的背景音樂，以一種老玩家從容不迫的心態(tài)無傷通過了第一關，一切都是那么熟悉，此時手里捧著的不再是一臺游戲機，而是童年時期的夢想。

現(xiàn)在，畫面震撼、玩法多樣的游戲每年都會推陳出新，自制游戲機項目每年也在不斷革新，我在自己能力范圍內制作了屬于自己的復古游戲掌機，也算是還了一個“童年債”。每次玩起這些老游戲，我總能想起那些遙遠的、計算機還沒普及的寒暑假，打開游戲機，選擇好上次沒能通關的游戲，那時候我最不缺的就是時間。