揣在口袋里的"游戏机"
——基于"Arduboy卡片游戏机"的硬件扩展与重制
偶然在购物软件上看到一款迷你的游戏机，价格也不贵，就下单买回来看了看，如（图2）。用了几天发现除了“俄罗斯方块”之外，没啥经典的，又考虑到下学期转学到新的一所住宿中学，所以就有了这个项目。这里是Li1in13ai，欢迎大家欣赏 这个艺术品，见（图1）。
那么有的朋友问了：“我也想复刻这个，但我是新手，能行吗？”电子开发是可以融入到我们这些普通人的生活的，而且每个人都会创造出无限的可能。当然这过程中会用到如电烙铁、加热台等工具，若不熟练的话，可以请一位有经验的“老师傅“来帮忙，全程请牢记安全第一。
一、 需求
考虑到使用场景，它需要具有极高的的便携性和较长的续航；其次，要想游玩更多的游戏，肯定少不了一颗性能强悍的MCU；但自己是一名中学生，还要考虑成本（虽然嘉立创“星火计划”有减免）；还有就是要有不错的使用体验，这其中包括：不错的性能、舒适的按键及握持感等；最后呢，算是个人喜好，一定要精致！美观！
二、 构思
（一） 外观
仍然采用和购买的游戏机类似的设计，长方形，上方屏幕，下方按键。体积也要小一些，毕竟要便携，设计大小是30*50mm。综上呢，我找到了两个感兴趣的开源项目，一个是基于“ATTiny85”的，但无奈这颗MCU性能太差了，即使一些简单游戏玩起来也只有几帧，虽说能“眨眼补帧”，但总归体验不好；另一个就是本文的主角了，基于“ATMega32u4”的“Arduboy”，我在BiliBili看到后找了它的官网，项目开源，但是是海外的，好歹折腾了半天，原理图资料啥的下载下来了，一看难度还好，就它了。根据原版，我决定了按键布局是经典的“左四右二”。
又考虑是否使用3D打印外壳，在其他项目中我发现用两层PCB“夹心”也十分美观，而且更具科技感，虽防护性会差一些，但为了美观，果断放弃防护性。
（二） 元器件
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主控 及 Flash
经多方位对比，原版的ATMega32u4在性能、功耗、价格上基本平衡，又考虑到我没有能力去给其他MCU单独做适配，最终决定就它了。
考虑到要存储大量的游戏，使用华邦的W25Q128JVSQ，大小为16M。焊接完成如（图三）。
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电源
首先就是稳压了，主要有两种方案，一种是“低压差线性稳压器（LDO）”，还有就是“开关电源转换器（DC-DC）”了，但是DCDC要搭配一颗电感使用，在这寸土寸金的PCB上，我放弃了后者，选择了LDO。但是在众多LDO中，怎么选择又成了问题，首先想到的是1117，但是因为它体积不小，且这个系统没有大电流需求，更何况还要用钽电容（本人强迫症），价格相对较高，所以放弃。剩下的呢，为方便对比，我把常见几款LDO数据都测试了一遍，因为系统不涉及大电流，且测试设备不支持，故没有测试最大输出电流及温升，（如表1，测试结果为5.0v降压至3.3v）。
但使用锂电池电压不可能全时维持在3.3v及以上，一是可以先升压到5v，再降压到3.3v，可是系统中没有用到5v的设备，所以有些浪费，其次这样效率会大大降低，更何况还有体积问题。
经过多方位考虑，RT9013虽性能不错，但是不满足要求，不过不久，我就看到了一款“RT6150A/B”出现在了树莓派Pico中，这颗IC中有控制部分，可通过控制其中四颗MOS管的通断，从而控制其是升压还是降压，理论上只要输入电压在1.8v~5.5v之间就能稳定输出3.3v的电压，经测试，在输入3v时，最大输出电流为0.5A@3.3v，满足使用，其余参数见下表（表2，输出电压恒设定为3.3v），最终，就决定用它了。
但是后期画PCB时发现价格涨得有些离谱，又是一顿搜索，找到了一颗几乎一模一样的替代料，那就是MP2155，价格只有他的五分之一左右，看了别人的测试，性能也说得过去，果然在价格上低了头，选择了价格便宜的MP2155，也就有了最终的版本（图4）。
再有就是电池部分，为了更长的续航，这里的“续航”是由主观上使用时间和充电时间两部分共同影响着的，所以不能盲目提升电池容量，一是体积重量不允许，其次当达到某一个临界点时，提升就不那么明显了。所以，我选择了一块380mAh的42535的动力电池，有着不错的容量同时，还能以客观的速度充电。一块动力电池也能给系统中的用电器提供更加稳定的电源
锂电池的充电管理IC使用我常用的LTC4054，具有体积小（TSOP-23-5）、效率高、能耗小（待机电流3uA）、电流大、温升小等等的特点。
另外，还看到一颗“EC190707”，一款长按开关机IC，长按3秒，输出脚高低电平转换，可以连接至MP2155的“使能引脚（EN）”上，控制其工作与否。EC190707的待机电流为5uA，MP2155为1uA，就算两颗加起来也可忽觉不计；EC190707的外围部件只有一颗滤波电容；封装SOT-23-6，体积很小；而且价格很美好。所以，在不多出可察觉的变化的同时是其有一种高级感，何乐而不为呢？
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接口
考虑到体积问题，所以放弃在硬件上保留串口芯片（如CH340C），而采用外置烧录器的方式，在上层版正面预留6个烧录触点（图5），使用烧录
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屏幕
采用0.96英寸的高亮白色OLED显示屏（图7），分辨率128*64，虽然看着有些可怜，但是由于其尺寸小，所以显示效果还不错，选择高亮的白色版本虽然功耗增加一些，但可以让其在强光条件下更方便浏览，还是要优先满足使用体验的。
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按键
顶部有一颗侧向的轻触开关（图8），作为长按待机开关，在必要时降低能耗。
操控按键采用与经典GameBoy相同的布局，经多次迭代及换料，现使用稍有些高度的轻触开关，手感极佳。
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蜂鸣器 与 指示灯
考虑到体积问题，使用板载蜂鸣器做发声装置（同图8），体积小巧带来的问题就是音量小，但是有，本着又不是不能用的原则，还是保留了下来，也可通过下方的拨动开关物理关闭（图9）。
使用TC3838RGB灯珠，展示充电状态，以及开机时提示点亮3秒（同图9）。
三、 设计
（一） 原理图
原理图使用立创EDA绘制，多使用网络接口，直观简洁。但由于要将功能分布于上下两块PCB，因为下层PCB只负责开关，指示灯及电池连接功能，所以设计原理图是将下层的元器件取消“转到PCB”，这样，在原理图转PCB后就直接是上层板的所有原件了，无需再次删除。
（二） PCB制作
因为使用上下两层PCB“夹心”的方式，一个问题也随之而而来“上下PCB应如何连接？”，首先考虑了软排线，但是市面上买不到尺寸小于5cm的排线，需要特殊定制，但是定制的价格和周期就高了；再有就是飞线，飞线不方便连接不说，后期还不利于维修。最后，发现有一种类似智能手环充电的弹簧触点，价格合理，就在底层使用这种方式与上层的空焊盘连接（图10）。另外我还复用了固定用的四根铜柱，使其作为电池的导线，并可以使上下两PCB共地，方便下层的开关走线及控制。
其次就是屏幕，考虑过在焊盘上开一条槽孔（图11），但由于体积问题，改为了正面直接焊接，虽说屏幕会有一些突起，但是更大的面积为布线提供了方便。
为成品美观，正面仅保留操作按钮、复位按钮、屏幕及上传接口，其余原件摆放于上层PCB反面。因PCB反面原件密度过大，本人布线技术差点意思，所以用了四层板，多了两个内层用来布线。本系统不涉及高频信号，所以我就本着布线只要能连上且美观，不过多纠结。
（三） 代码
这里只举自己编译游戏的基本流程，首先要有Arduino IDE的开发环境，有必要的库。正式开始的的第一步，就是对游戏内的事物进行定义，这里以经典的“打砖块”游戏举例，对砖块、弹球以及球的起始位置等等，还要定义硬件的参数，比如刷新率（60Hz），还有分辨率（12864）等等。
四、 制造
（一） 下单
PCB下单于嘉立创，由于星火计划，可选SMT，我将嘉立创基础库有的原件直接小批量SMT了，也因此，板子需改为77cm，四周V割，这里要求布线时要稍远离边框，否则可能锣断线，造成PCB不可用。
（二） 焊接
PCB收到后（图12），将剩下的原件补回，推荐使用焊台进行回流焊，若是用热风枪，焊接带有塑料部分的原件（如轻触开关）时要注意风速温度；以及用热风枪焊接OLED屏幕时，不要用热风直吹屏幕显示区域，会导致屏幕不显示（别问我怎么知道的）。焊接实例如（图13）。
（三） 程序上传
先使用Arduino或USBISP（图14）通过探针连接游戏机上传触点，在Arduino中添加Homemade Arduboy库，更改对应参数及烧录器，烧录Bootloader（图15）。
随后使用软件上传游戏文件，待软件提示成功后就可以开始玩耍了！
当然也可以从官网寻找国内外大神制作的游戏，自己挑选制成组合包，烧录进游戏机（图16）。
成品如封面及（图17）
这个项目也因为我学校住宿的原因，历时一年左右才正式完成，我想说的是，面对你所热爱的事情，不要放弃，坚持下去，总会收获的。也希望这个项目能引起你对硬件开发的兴趣，加入到硬件开发的这个大家庭，做出自己想做的，生活中需要的，有意义的东西，加油！
特别声明：本人同名作品已发表在GitHub、Gitee、Arduboy中文论坛、BiliBili、嘉立创开源平台、中国工信部《无线电-2023年5月刊》、等相关平台，查重时请注意辨认！
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