作者寄語：這款用于Raspberry Pi的DIY復古視頻游戲控制器既有趣又不難構(gòu)建，但需要一些時間。
偶爾，我會對80年代末和90年代童年時期玩過的電子游戲感到懷舊，雖然大多數(shù)舊電腦和游戲機早就不知道在哪里吃灰了，但我的Raspberry Pi可以重現(xiàn)我的“童年”。
我喜歡Raspbian中內(nèi)置的簡單游戲，而開源的RetroPie項目幫助我將Raspberry Pi變成了一款先進的復古游戲機。
但是，為了獲得更“給力”的體驗，我需要一個手感極佳的游戲手柄。市面上可選的USB游戲手柄和游戲桿非常多，但作為開源愛好者、制造商和工程師，我更喜歡自己定制。
所以，我制作了自己的簡單開源硬件游戲手柄，我將其命名為ANAVI Play pHAT。我將它設(shè)計為Raspberry Pi的附加板，使用EEPROM 和我創(chuàng)建的用于映射鍵的設(shè)備二進制覆蓋。
獲取游戲手柄按鈕和EEPROM
可以買到的“千奇百怪”的游戲手柄有些非常復雜，然而，使用我創(chuàng)建的設(shè)計制作類似于標志性NES控制器的游戲手柄并不難。
游戲手柄使用八個“瞬發(fā)”按鈕（即，僅在按下時才有效的開關(guān)）：用于移動的四個輕觸開關(guān)（向上，向下，向左，向右），用于A和B的兩個輕觸按鈕，以及選擇和開始的兩個較小的按鈕。我使用了通孔輕觸開關(guān)：六個6x6x4.3mm開關(guān)用于移動和A和B按鈕，兩個3x6x4.3mm開關(guān)用于啟動和選擇按鈕。
雖然游戲手柄的主要目的是玩復古游戲，但附加板足夠大，可以附加一些“高大上”的家庭自動化功能，諸如監(jiān)控溫度、濕度、光線或氣壓，可以在不玩游戲時使用。我添加了三個插槽，用于將I2C傳感器連接到物理引腳3和5上的主I2C總線。
硬件設(shè)計中最有趣和最重要的部分是EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲器）。通孔安裝的EEPROM更容易在面包板上閃爍并焊接到游戲手柄上。
MagPi雜志中的一篇文章推薦CAT24C32 EEPROM; 如果該模型不可用，請嘗試查找具有類似技術(shù)規(guī)格的模型。2014年之后發(fā)布的所有Raspberry Pi型號和版本（Raspberry Pi B +和更新版本）在物理引腳27和28上都有一個輔助I 2 C總線。
完成上面的硬件搭建，使用面包板檢查它是否正常工作。
創(chuàng)建印刷電路板
下一步是創(chuàng)建印刷電路板（PCB）設(shè)計并制造它。作為開源愛好者，我相信應(yīng)該使用免費和開源軟件來創(chuàng)建開源硬件。我更傾向于使用KiCad，即GPLv3 +許可下提供的電子設(shè)計自動化（EDA）軟件。KiCad適用于Windows，MacOS和GNU / Linux。（我在Ubuntu 18.04上使用KiCad第5版。）
KiCad允許您創(chuàng)建多達32個銅層和14個固定用途技術(shù)層的PCB。它還有一個集成的3D查看器。它得到了積極的發(fā)展，包括CERN開發(fā)人員的許多貢獻，并用于工業(yè)應(yīng)用; 例如，Olimex使用KiCad設(shè)計具有多層的復雜PCB，例如TERES-I DIY開源硬件筆記本電腦中的PCB。
KiCad工作流程包括三個主要步驟：
在原理圖布局編輯器中設(shè)計原理圖
繪制邊緣切口，放置組件，并在PCB布局編輯器中布線
導出Gerber和鉆取文件以供制造
如果您之前沒有設(shè)計PCB的經(jīng)驗，可以瀏覽KiCad提供的示例和用戶指南，了解如何使用原理圖和PCB布局編輯器。（如果您不想從頭開始做任何事情，可以在我的GitHub存儲庫中克隆ANAVI Play pHAT項目。）
（注：文章作者GitHub地址https://github.com/AnaviTechnology/anavi-play-phat）
在KiCad的原理圖布局編輯器中，將Raspberry Pi的GPIO連接到按鈕，將傳感器的插槽連接到主I2C，將EEPROM連接到輔助I2C.為每個組件分配適當?shù)恼嘉幻娣e。執(zhí)行電氣規(guī)則檢查，如果沒有錯誤，則生成網(wǎng)表，描述電子電路的連接。
打開PCB布局編輯器，所有組件和軌道必須位于前銅層和底銅層（F.Cu和B.Cu）上，并且必須在Edge.Cuts層中創(chuàng)建板的形式。任何文本（包括按鈕標簽）都必須位于絲印圖層上。
最后，導出Gerber并將它發(fā)送給生產(chǎn)PCB的公司的文件。Gerber格式是PCB的事實上的行業(yè)標準。它是2D二進制圖像的開放ASCII矢量格式;簡單地解釋一下，它就像是用于PCB制造的PDF。
有許多公司可以像游戲手柄一樣制作簡單的雙層電路板。對于一些原型，您可以依靠美國的OSHPark或歐洲的Aisler。還有很多中國制造商，如JLCPCB，PCBWay，ALLPCB，Seeed Studio等等。或者，如果您希望省略PCB制造和采購組件的麻煩，您可以從Crowd Supply訂購ANAVI Play pHAT制造商套件，并自行焊接所有通孔組件。
了解devicetree
Devicetree是描述硬件組件的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)范。其目的是允許已編譯的Linux內(nèi)核在更廣泛的架構(gòu)系列中處理各種不同的硬件配置。引導加載程序?qū)evicetree加載到內(nèi)存中并將其傳遞給Linux內(nèi)核。
該設(shè)備包括三個組成部分：
Devicetree來源（DTS）
Devicetree blob（DTB）和疊加（DTBO）
Devicetree編譯器（DTC）
DTC從文本源創(chuàng)建二進制文件。Devicetree覆蓋允許中心DTB覆蓋在設(shè)備上。疊加包括許多片段。
幾年來，所有新的ARM片上系統(tǒng)（SoC）都需要一個設(shè)備，包括所有Raspberry Pi型號和版本中的Broadcom SoC。使用Raspberry Pi流行的Raspbian發(fā)行版中的默認引導加載程序，可以使用關(guān)鍵字device_tree =在可引導microSD卡的FAT分區(qū)上的配置文件（config.txt）中設(shè)置DTO 。
自2014年以來，Raspberry Pi的引腳頭已擴展至40個引腳。引腳27和28專用于輔助I 2 C總線。這樣，DTBO可以從連接到這些引腳的EEPROM自動加載。此外，其他系統(tǒng)信息可以保存在EEPROM中。此功能屬于Raspberry Pi Foundation對任何Raspberry Pi HAT（頂部附加硬件）附加板的要求。在Raspberry Pi的Raspbian和其他GNU / Linux發(fā)行版中，可以在啟動后從/ proc / device-tree / hat /的用戶空間看到EEPROM中的信息。
在我看來，devicetree是過去十年中Linux生態(tài)系統(tǒng)中增加的最迷人的功能之一。創(chuàng)建devicetree blob和覆蓋是一項高級任務(wù)，需要一些背景知識。但是，可以為Raspberry Pi附加板創(chuàng)建一個設(shè)備二進制覆蓋，并將其閃存在適當?shù)腅EPROM上。設(shè)備二進制覆蓋定義游戲手柄的每個鍵的Linux密鑰代碼。結(jié)果是Raspberry Pi的游戲手柄，其中的按鍵在您啟動Raspbian后立即工作。
創(chuàng)建DTBO
為游戲手柄創(chuàng)建一個devicetree二進制覆蓋有三個主要步驟：
根據(jù)Linux密鑰代碼創(chuàng)建帶有密鑰映射的設(shè)備源
使用devicetree編譯編譯devicetree二進制覆蓋
使用Raspberry Pi Foundation提供的開源工具創(chuàng)建 .eep文件并在EEPROM上閃爍
Linux密鑰代碼在文件/usr/include/linux/input-event-codes.h中定義。
設(shè)備源文件應(yīng)描述哪個Raspberry Pi GPIO引腳連接到哪個硬件按鈕以及按下按鈕時應(yīng)觸發(fā)哪個Linux密鑰代碼。在此游戲手柄中，GPIO17（引腳11）連接到右側(cè)觸摸按鈕，GPIO4（引腳7）連接到左側(cè)，GPIO22（引腳15）連接到Up，GPIO27（引腳13）連接到Down，GPIO5（引腳29）連接到啟動， GPIO6（引腳31）選擇，GPIO19（引腳35）連接到A，GPIO26（引腳37）連接到B.
請注意，GPIO編號與插頭上引腳的物理位置有所不同。為方便起見，所有引腳都位于Raspberry Pi的40引腳接頭的第二行。這種方法可以更容易地在KiCad中布線印刷電路板。
游戲手柄的整個設(shè)備源可在GitHub上獲得。（注：文章作者GitHub地址https://github.com/AnaviTechnology/anavi-play-phat）作為示例，以下是一個簡短的代碼片段，演示了如何將與Raspberry Pi上的物理引腳11相對應(yīng)的GPIO17映射到Right的按鈕：
按鈕@ 17 { label =“right”; linux，code = <106>; gpios = <＆gpio 17 1>; };要直接在Raspberry Pi上編譯DTS，請在終端上執(zhí)行以下命令在Raspbian上安裝devicetree編譯器：
sudo apt-get updatesudo apt-get install device-tree-compiler運行DTC并提供輸出DTBO的名稱和源文件的路徑作為參數(shù)。例如：
dtc -I dts -O dtb -o anavi-play-phat.dtbo anavi-play-phat.dtsRaspberry Pi Foundation提供了一個GitHub存儲庫，其中包含HAT的機械，硬件和軟件規(guī)范。它還包括三個非常方便的工具：
eepmake：使用設(shè)置從文本文件創(chuàng)建.eep文件
eepdump：用于調(diào)試，因為它將二進制.eep文件轉(zhuǎn)儲為人類可讀的文本
eepflash：向EEPROM 寫入或從EEPROM 讀取.eep二進制映像
該eeprom_settings.txt文件可以作為一個模板。Raspberry Pi Foundation和MagPi雜志提供了有用的文章和教程，因此我不會涉及太多細節(jié)。如上所述，推薦的EEPROM是CAT24C32，但它可以替換為具有相同技術(shù)規(guī)格的任何其他EEPROM。使用帶有8引腳，通孔，雙列直插式（DIP）封裝的EEPROM，業(yè)余愛好者可以更輕松地進行閃存，因為它可以通過面包板完成。以下示例命令使用Raspberry Pi GitHub存儲庫中的eepmake工具創(chuàng)建準備在EEPROM上閃存的文件：
./eepmake settings.txt settings.eep anavi-play-phat.dtbo在繼續(xù)閃爍之前，請確保EEPROM已正確連接到Raspberry Pi上的主I2C總線（引腳3和5）。（您可以參考上面鏈接的MagPi雜志文章，討論接線示意圖。）然后運行以下命令并按照屏幕上的說明閃爍EEPROM上的.eep文件：
sudo ./eepflash.sh -w -f=settings.eep -t=24c32在將EEPROM焊接到印刷電路板之前，將其移至面包板上的輔助I 2 C總線并進行測試，以確保其按預期工作。如果在測試面包板上的EEPROM時檢測到任何問題，請更正設(shè)置文件，將其移回主I 2 C總線，然后再次閃爍。
測試游戲手柄
終于可以盤它了，是時候使用Raspbian測試附加板了，您可以從RaspberryPi.org 下載。啟動后，打開終端并輸入以下命令：
cat / proc / device-tree / hat / product cat / proc / device-tree / hat / vendor輸出應(yīng)該類似于：
如果是的話，恭喜！已成功讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)。
下一步是驗證Play pHAT上的鍵是否設(shè)置正確并正常工作。在終端或文本編輯器中，按下八個按鈕中的每一個，并驗證它們是否按配置運行。
最后，終于可以玩游戲了！默認情況下，Raspbian的桌面包括Python游戲。
從應(yīng)用程序菜單啟動它們，進行音頻輸出選擇并從列表中選擇一個游戲。我最喜歡的是Wormy，一款類似貪吃蛇的游戲。作為一名前Symbian移動應(yīng)用程序開發(fā)人員，我發(fā)現(xiàn)玩Wormy讓我夢回諾基亞的崢嶸歲月。
RetroPie復古游戲
Raspbian很棒，但RetroPie為復古游戲迷提供了更多的東西。它是一個GNU / Linux發(fā)行版，針對復古游戲進行了優(yōu)化，并結(jié)合了開源項目RetroArch和Emulation Station。它適用于Raspberry Pi，Odroid C1 / C2以及運行Debian或Ubuntu的個人計算機。
它提供了用于加載ROM的仿真器 - 游戲卡帶的數(shù)字版本。值得一提的是，由于版權(quán)問題，RetroPie中不包含任何ROM。在啟動RetroPie之后，您必須找到適當?shù)腞OM并將它們復制到Raspberry Pi。
開源硬件游戲手柄在RetroPie的菜單中運行良好，但我發(fā)現(xiàn)在啟動一些游戲和模擬器后鍵失敗。調(diào)試之后，我找到了一個確保它們在游戲模擬器中工作的解決方案：添加一個Python腳本，用于密鑰的其他軟件模擬。該腳本可在GitHub上獲得。以下是如何獲取它并在RetroPie上安裝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，將以下行添加到/etc/rc.local中，以便在RetroPie啟動時自動執(zhí)行：
sudo python /home/pi/anavi-examples/anavi-play-phat/anavi-play-gamepad.py &完成以下步驟后，您可以創(chuàng)建一個完全開源的硬件游戲手柄作為任何帶有40針頭的Raspberry Pi型號的附加板，并與Raspbian和RetroPie一起使用！
將免費和開源軟件與開源硬件相結(jié)合既有趣又不困難，但需要大量時間。在業(yè)余時間創(chuàng)建開源硬件游戲手柄之后，我在Crowd Supply進行了一次適度的眾籌活動，在我的家鄉(xiāng)保加利亞普羅夫迪夫進行小批量生產(chǎn)。當然使用的還是開源硬件項目BG000007，另外還使用了保護電路板免受灰塵影響的丙烯酸外殼，也是使用免費開源軟件OpenSCAD創(chuàng)建的開源硬件。
如果你也心動了，可以嘗試使用KiCad為Raspberry Pi創(chuàng)建自己的開源硬件附加板。最后祝大家玩的愉快！下次再有人問再跟你說“要是把玩游戲時間都用在學習上”，告訴他們你學會了Raspberry Pi、開源硬件和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
編譯：付斌
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