从PCB到DTBO：自己做一个Raspberry Pi游戏手柄

作者寄语：这款用于Raspberry Pi的DIY复古视频游戏控制器既有趣又不难构建，但需要一些时间。

偶尔，我会对80年代末和90年代童年时期玩过的电子游戏感到怀旧，虽然大多数旧电脑和游戏机早就不知道在哪里吃灰了，但我的Raspberry Pi可以重现我的“童年”。

我喜欢Raspbian中内置的简单游戏，而开源的RetroPie项目帮助我将Raspberry Pi变成了一款先进的复古游戏机。

但是，为了获得更“给力”的体验，我需要一个手感极佳的游戏手柄。市面上可选的USB游戏手柄和游戏杆非常多，但作为开源爱好者、制造商和工程师，我更喜欢自己定制。

所以，我制作了自己的简单开源硬件游戏手柄，我将其命名为ANAVI Play pHAT。我将它设计为Raspberry Pi的附加板，使用EEPROM  和我创建的用于映射键的设备二进制覆盖。

获取游戏手柄按钮和EEPROM

可以买到的“千奇百怪”的游戏手柄有些非常复杂，然而，使用我创建的设计制作类似于标志性NES控制器的游戏手柄并不难。

游戏手柄使用八个“瞬发”按钮（即，仅在按下时才有效的开关）：用于移动的四个轻触开关（向上，向下，向左，向右），用于A和B的两个轻触按钮，以及选择和开始的两个较小的按钮。我使用了通孔轻触开关：六个6x6x4.3mm开关用于移动和A和B按钮，两个3x6x4.3mm开关用于启动和选择按钮。

虽然游戏手柄的主要目的是玩复古游戏，但附加板足够大，可以附加一些“高大上”的家庭自动化功能，诸如监控温度、湿度、光线或气压，可以在不玩游戏时使用。我添加了三个插槽，用于将I2C传感器连接到物理引脚3和5上的主I2C总线。

硬件设计中最有趣和最重要的部分是EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）。通孔安装的EEPROM更容易在面包板上闪烁并焊接到游戏手柄上。

MagPi杂志中的一篇文章推荐CAT24C32 EEPROM; 如果该模型不可用，请尝试查找具有类似技术规格的模型。2014年之后发布的所有Raspberry Pi型号和版本（Raspberry Pi B +和更新版本）在物理引脚27和28上都有一个辅助I 2 C总线。

完成上面的硬件搭建，使用面包板检查它是否正常工作。

创建印刷电路板

下一步是创建印刷电路板（PCB）设计并制造它。作为开源爱好者，我相信应该使用免费和开源软件来创建开源硬件。我更倾向于使用KiCad，即GPLv3 +许可下提供的电子设计自动化（EDA）软件。KiCad适用于Windows，MacOS和GNU / Linux。（我在Ubuntu 18.04上使用KiCad第5版。）

KiCad允许您创建多达32个铜层和14个固定用途技术层的PCB。它还有一个集成的3D查看器。它得到了积极的发展，包括CERN开发人员的许多贡献，并用于工业应用; 例如，Olimex使用KiCad设计具有多层的复杂PCB，例如TERES-I DIY开源硬件笔记本电脑中的PCB。

KiCad工作流程包括三个主要步骤：

• 在原理图布局编辑器中设计原理图

• 绘制边缘切口，放置组件，并在PCB布局编辑器中布线

• 导出Gerber和钻取文件以供制造

如果您之前没有设计PCB的经验，可以浏览KiCad提供的示例和用户指南，了解如何使用原理图和PCB布局编辑器。（如果您不想从头开始做任何事情，可以在我的GitHub存储库中克隆ANAVI Play pHAT项目。）

（注：文章作者GitHub地址https://github.com/AnaviTechnology/anavi-play-phat）

在KiCad的原理图布局编辑器中，将Raspberry Pi的GPIO连接到按钮，将传感器的插槽连接到主I2C，将EEPROM连接到辅助I2C.为每个组件分配适当的占位面积。执行电气规则检查，如果没有错误，则生成网表，描述电子电路的连接。

打开PCB布局编辑器，所有组件和轨道必须位于前铜层和底铜层（F.Cu和B.Cu）上，并且必须在Edge.Cuts层中创建板的形式。任何文本（包括按钮标签）都必须位于丝印图层上。

最后，导出Gerber并将它发送给生产PCB的公司的文件。Gerber格式是PCB的事实上的行业标准。它是2D二进制图像的开放ASCII矢量格式;简单地解释一下，它就像是用于PCB制造的PDF。

有许多公司可以像游戏手柄一样制作简单的双层电路板。对于一些原型，您可以依靠美国的OSHPark或欧洲的Aisler。还有很多中国制造商，如JLCPCB，PCBWay，ALLPCB，Seeed Studio等等。或者，如果您希望省略PCB制造和采购组件的麻烦，您可以从Crowd Supply订购ANAVI Play pHAT制造商套件，并自行焊接所有通孔组件。

了解devicetree

Devicetree是描述硬件组件的软件数据结构的规范。其目的是允许已编译的Linux内核在更广泛的架构系列中处理各种不同的硬件配置。引导加载程序将devicetree加载到内存中并将其传递给Linux内核。

该设备包括三个组成部分：

• Devicetree来源（DTS）

• Devicetree blob（DTB）和叠加（DTBO）

• Devicetree编译器（DTC）

DTC从文本源创建二进制文件。Devicetree覆盖允许中心DTB覆盖在设备上。叠加包括许多片段。

几年来，所有新的ARM片上系统（SoC）都需要一个设备，包括所有Raspberry Pi型号和版本中的Broadcom SoC。使用Raspberry Pi流行的Raspbian发行版中的默认引导加载程序，可以使用关键字device_tree =在可引导microSD卡的FAT分区上的配置文件（config.txt）中设置DTO 。

自2014年以来，Raspberry Pi的引脚头已扩展至40个引脚。引脚27和28专用于辅助I 2 C总线。这样，DTBO可以从连接到这些引脚的EEPROM自动加载。此外，其他系统信息可以保存在EEPROM中。此功能属于Raspberry Pi Foundation对任何Raspberry Pi HAT（顶部附加硬件）附加板的要求。在Raspberry Pi的Raspbian和其他GNU / Linux发行版中，可以在启动后从/ proc / device-tree / hat /的用户空间看到EEPROM中的信息。

在我看来，devicetree是过去十年中Linux生态系统中增加的最迷人的功能之一。创建devicetree blob和覆盖是一项高级任务，需要一些背景知识。但是，可以为Raspberry Pi附加板创建一个设备二进制覆盖，并将其闪存在适当的EEPROM上。设备二进制覆盖定义游戏手柄的每个键的Linux密钥代码。结果是Raspberry Pi的游戏手柄，其中的按键在您启动Raspbian后立即工作。

创建DTBO

为游戏手柄创建一个devicetree二进制覆盖有三个主要步骤：

• 根据Linux密钥代码创建带有密钥映射的设备源

• 使用devicetree编译编译devicetree二进制覆盖

• 使用Raspberry Pi Foundation提供的开源工具创建  .eep文件并在EEPROM上闪烁

Linux密钥代码在文件/usr/include/linux/input-event-codes.h中定义。

设备源文件应描述哪个Raspberry Pi GPIO引脚连接到哪个硬件按钮以及按下按钮时应触发哪个Linux密钥代码。在此游戏手柄中，GPIO17（引脚11）连接到右侧触摸按钮，GPIO4（引脚7）连接到左侧，GPIO22（引脚15）连接到Up，GPIO27（引脚13）连接到Down，GPIO5（引脚29）连接到启动， GPIO6（引脚31）选择，GPIO19（引脚35）连接到A，GPIO26（引脚37）连接到B.

请注意，GPIO编号与插头上引脚的物理位置有所不同。为方便起见，所有引脚都位于Raspberry Pi的40引脚接头的第二行。这种方法可以更容易地在KiCad中布线印刷电路板。

游戏手柄的整个设备源可在GitHub上获得。（注：文章作者GitHub地址https://github.com/AnaviTechnology/anavi-play-phat）作为示例，以下是一个简短的代码片段，演示了如何将与Raspberry Pi上的物理引脚11相对应的GPIO17映射到Right的按钮：

按钮@ 17 {                label =“right”;                linux，code = <106>;                gpios = <＆gpio 17 1>;             };

要直接在Raspberry Pi上编译DTS，请在终端上执行以下命令在Raspbian上安装devicetree编译器：

sudo apt-get updatesudo apt-get install device-tree-compiler

运行DTC并提供输出DTBO的名称和源文件的路径作为参数。例如：

dtc -I dts -O dtb -o anavi-play-phat.dtbo anavi-play-phat.dts

Raspberry Pi Foundation提供了一个GitHub存储库，其中包含HAT的机械，硬件和软件规范。它还包括三个非常方便的工具：

• eepmake：使用设置从文本文件创建.eep文件

• eepdump：用于调试，因为它将二进制.eep文件转储为人类可读的文本

• eepflash：向EEPROM 写入或从EEPROM 读取.eep二进制映像

该eeprom_settings.txt文件可以作为一个模板。Raspberry Pi Foundation和MagPi杂志提供了有用的文章和教程，因此我不会涉及太多细节。如上所述，推荐的EEPROM是CAT24C32，但它可以替换为具有相同技术规格的任何其他EEPROM。使用带有8引脚，通孔，双列直插式（DIP）封装的EEPROM，业余爱好者可以更轻松地进行闪存，因为它可以通过面包板完成。以下示例命令使用Raspberry Pi GitHub存储库中的eepmake工具创建准备在EEPROM上闪存的文件：

./eepmake settings.txt settings.eep anavi-play-phat.dtbo

在继续闪烁之前，请确保EEPROM已正确连接到Raspberry Pi上的主I2C总线（引脚3和5）。（您可以参考上面链接的MagPi杂志文章，讨论接线示意图。）然后运行以下命令并按照屏幕上的说明闪烁EEPROM上的.eep文件：

sudo ./eepflash.sh -w -f=settings.eep -t=24c32

在将EEPROM焊接到印刷电路板之前，将其移至面包板上的辅助I 2 C总线并进行测试，以确保其按预期工作。如果在测试面包板上的EEPROM时检测到任何问题，请更正设置文件，将其移回主I 2 C总线，然后再次闪烁。

测试游戏手柄

终于可以盘它了，是时候使用Raspbian测试附加板了，您可以从RaspberryPi.org 下载。启动后，打开终端并输入以下命令：

cat / proc / device-tree / hat / product cat / proc / device-tree / hat / vendor

输出应该类似于：

如果是的话，恭喜！已成功读取EEPROM中的数据。

下一步是验证Play pHAT上的键是否设置正确并正常工作。在终端或文本编辑器中，按下八个按钮中的每一个，并验证它们是否按配置运行。

最后，终于可以玩游戏了！默认情况下，Raspbian的桌面包括Python游戏。

从应用程序菜单启动它们，进行音频输出选择并从列表中选择一个游戏。我最喜欢的是Wormy，一款类似贪吃蛇的游戏。作为一名前Symbian移动应用程序开发人员，我发现玩Wormy让我梦回诺基亚的峥嵘岁月。

RetroPie复古游戏

Raspbian很棒，但RetroPie为复古游戏迷提供了更多的东西。它是一个GNU / Linux发行版，针对复古游戏进行了优化，并结合了开源项目RetroArch和Emulation Station。它适用于Raspberry Pi，Odroid C1 / C2以及运行Debian或Ubuntu的个人计算机。

它提供了用于加载ROM的仿真器 - 游戏卡带的数字版本。值得一提的是，由于版权问题，RetroPie中不包含任何ROM。在启动RetroPie之后，您必须找到适当的ROM并将它们复制到Raspberry Pi。

开源硬件游戏手柄在RetroPie的菜单中运行良好，但我发现在启动一些游戏和模拟器后键失败。调试之后，我找到了一个确保它们在游戏模拟器中工作的解决方案：添加一个Python脚本，用于密钥的其他软件模拟。该脚本可在GitHub上获得。以下是如何获取它并在RetroPie上安装Python：

sudo apt-get updatesudo apt-get install -y python-pip sudo pip install evdev cd~ git clone https://github.com/AnaviTechnology/anavi-examples.git

最后，将以下行添加到/etc/rc.local中，以便在RetroPie启动时自动执行：

sudo python /home/pi/anavi-examples/anavi-play-phat/anavi-play-gamepad.py &

完成以下步骤后，您可以创建一个完全开源的硬件游戏手柄作为任何带有40针头的Raspberry Pi型号的附加板，并与Raspbian和RetroPie一起使用！

将免费和开源软件与开源硬件相结合既有趣又不困难，但需要大量时间。在业余时间创建开源硬件游戏手柄之后，我在Crowd Supply进行了一次适度的众筹活动，在我的家乡保加利亚普罗夫迪夫进行小批量生产。当然使用的还是开源硬件项目BG000007，另外还使用了保护电路板免受灰尘影响的丙烯酸外壳，也是使用免费开源软件OpenSCAD创建的开源硬件。

如果你也心动了，可以尝试使用KiCad为Raspberry Pi创建自己的开源硬件附加板。最后祝大家玩的愉快！下次再有人问再跟你说“要是把玩游戏时间都用在学习上”，告诉他们你学会了Raspberry Pi、开源硬件和Linux。

作者：Leon Anavi

Professional software engineer and an open source enthusiast

原文地址：https://opensource.com/article/19/3/gamepad-raspberry-pi

编译：付斌