如何制作树莓派游戏手柄

我不时会怀念起 80 年代末和 90 年代童年时代玩过的视频游戏。虽然我的大部分旧电脑和游戏机早已不见踪影，但我的树莓派可以满足我的复古游戏需求。我喜欢 Raspbian 中包含的简单游戏，开源 RetroPie 项目帮助我将树莓派变成了一台高级复古游戏机。

但是，为了获得更真实的体验，就像“过去的日子”一样，我需要一个游戏手柄。市场上有许多 USB 游戏手柄和操纵杆可供选择，但作为一名开源爱好者、创客和工程师，我更喜欢走艰难的道路。因此，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。我将其设计为树莓派的附加板，使用了 EEPROM 和我创建的用于映射按键的设备树二进制覆盖。

获取游戏手柄按钮和 EEPROM

市面上有各种各样的游戏手柄可供购买，其中一些非常复杂。但是，使用我创建的设计制作一个类似于标志性的 NES 控制器的游戏手柄并不难。

该游戏手柄使用八个“瞬时”按钮（即，仅在按下时才激活的开关）：四个用于移动的触觉开关（tact switch）（上、下、左、右），两个用于 A 和 B 的触觉按钮，以及两个较小的用于选择和开始的触觉按钮。我使用了通孔触觉开关：六个 6x6x4.3 毫米的开关用于移动以及 A 和 B 按钮，以及两个 3x6x4.3 毫米的开关用于开始和选择按钮。

虽然游戏手柄的主要目的是玩复古游戏，但该附加板足够大，可以包含家庭自动化功能，例如监控温度、湿度、光照或气压，这些功能可以在您不玩游戏时使用。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（电可擦可编程只读存储器）。通孔安装的 EEPROM 更容易在面包板上刷写和焊接到游戏手柄上。《MagPi 杂志》上的一篇文章推荐使用 CAT24C32 EEPROM；如果该型号不可用，请尝试寻找具有类似技术规格的型号。2014 年之后发布的所有树莓派型号和版本（树莓派 B+ 及更新版本）在物理引脚 27 和 28 上都有一个辅助 I²C 总线。

一旦您拥有了这些硬件，请使用面包板检查其是否工作正常。

创建印刷电路板

下一步是创建印刷电路板 (PCB) 设计并进行制造。作为一名开源爱好者，我认为应该使用自由和开源软件来创建开源硬件。我依赖 KiCad，这是一款根据 GPLv3+ 许可证提供的电子设计自动化 (EDA) 软件。KiCad 可在 Windows、MacOS 和 GNU/Linux 上运行。（我在 Ubuntu 18.04 上使用 KiCad 5 版本。）

KiCad 允许您创建最多 32 个铜层加上 14 个固定用途技术层的 PCB。它还具有集成的 3D 查看器。它正在积极开发中，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，例如其 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
在 PCB 布局编辑器中绘制边缘切割线、放置组件和布线
导出 Gerber 和钻孔文件用于制造

如果您以前没有设计过 PCB，请记住存在陡峭的学习曲线。请阅读 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所有事情，您可以直接克隆我在 GitHub 存储库中的 ANAVI Play pHAT 项目。）

在 KiCad 的原理图布局编辑器中，将树莓派的 GPIO 连接到按钮，将传感器的插槽连接到主 I²C，并将 EEPROM 连接到辅助 I²C。为每个组件分配适当的封装。执行电气规则检查，如果没有错误，则生成网络表，它描述了电子电路的连接性。

打开 PCB 布局编辑器。它包含多个层。读取网络表。所有组件和布线都必须位于正面和背面铜层（F.Cu 和 B.Cu）上，并且电路板的形状必须在 Edge.Cuts 层中创建。任何文本，包括按钮标签，都必须位于丝印层上。

最后，导出 Gerber 和钻孔文件，您将把它们发送给将生产您的 PCB 的公司。Gerber 格式是 PCB 行业的 фактический 行业标准。它是一种用于 2D 二进制图像的开放 ASCII 矢量格式；简单来说，它就像用于 PCB 制造的 PDF。

有许多公司可以制造像游戏手柄这样简单的双层板。对于少量原型，您可以依靠美国的 OSHPark 或欧洲的 Aisler。还有许多中国制造商，例如 JLCPCB、PCBWay、ALLPCB、Seeed Studio 等等。或者，如果您希望跳过 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。

理解设备树

设备树是用于描述硬件组件的软件数据结构的规范。其目的是允许编译后的 Linux 内核在更广泛的架构系列中处理各种不同的硬件配置。引导加载程序将设备树加载到内存中并将其传递给 Linux 内核。

设备树包括三个组件

设备树源 (DTS)
设备树 Blob (DTB) 和覆盖 (DTBO)
设备树编译器 (DTC)

DTC 从文本源创建二进制文件。设备树覆盖允许将中央 DTB 覆盖在设备树上。覆盖包括许多片段。

几年来，所有新的 ARM 片上系统 (SoC) 都需要设备树，包括所有树莓派型号和版本中的 Broadcom SoC。使用树莓派流行的 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，树莓派的引脚头已扩展到 40 个引脚。引脚 27 和 28 专用于辅助 I²C 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。此功能是树莓派基金会对任何树莓派 HAT（顶部附加硬件）附加板的要求之一。在 Raspbian 和其他用于树莓派的 GNU/Linux 发行版上，启动后可以从用户空间的 /proc/device-tree/hat/ 中查看来自 EEPROM 的信息。

在我看来，设备树是过去十年中 Linux 生态系统中添加的最令人着迷的功能之一。创建设备树 Blob 和覆盖是一项高级任务，需要一些背景知识。但是，可以为树莓派附加板创建设备树二进制覆盖并将其刷写到适当的 EEPROM 上。设备二进制覆盖定义了游戏手柄每个按键的 Linux 键码。结果是树莓派的游戏手柄，其按键在您启动 Raspbian 后立即工作。

创建 DTBO

创建游戏手柄的设备树二进制覆盖有三个主要步骤

基于 Linux 键码创建具有按键映射的设备树源
使用设备树编译器编译设备树二进制覆盖
创建 .eep 文件并使用树莓派基金会提供的开源工具将其刷写到 EEPROM 上

Linux 键码在文件 /usr/include/linux/input-event-codes.h 中定义。设备源文件应描述哪个树莓派 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 键码。在本游戏手柄中，GPIO17（引脚 11）连接到用于向右的触觉按钮，GPIO4（引脚 7）连接到向左，GPIO22（引脚 15）连接到向上，GPIO27（引脚 13）连接到向下，GPIO5（引脚 29）连接到开始，GPIO6（引脚 31）连接到选择，GPIO19（引脚 35）连接到 A，GPIO26（引脚 37）连接到 B。

请注意，GPIO 编号与引脚头上的物理位置之间存在差异。为方便起见，所有引脚都位于树莓派 40 针引脚头的第二行。这种方法使得在 KiCad 中布线印刷电路板更容易。

游戏手柄的整个设备树源可在 GitHub 上获取。例如，以下是一个简短的代码片段，演示了如何将 GPIO17（对应于树莓派上的物理引脚 11）映射到用于向右的触觉按钮

button@17 {
               label = "right";
               linux,code = <106>;
               gpios = <&gpio 17 1>;
            };

要在树莓派上直接编译 DTS，请通过在终端中执行以下命令在 Raspbian 上安装设备树编译器

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

运行 DTC 并提供输出 DTBO 的名称和源文件路径作为参数。例如

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

树莓派基金会提供了一个 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: 从带有设置的文本文件创建 .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: 将 .eep 二进制镜像写入/读取到 EEPROM

eeprom_settings.txt 文件可以用作模板。树莓派基金会和 MagPi 杂志提供了有用的文章和教程，因此我不会深入探讨太多细节。正如我在上面写到的，推荐的 EEPROM 是 CAT24C32，但它可以替换为任何其他具有相同技术规格的 EEPROM。使用带有八针通孔双列直插 (DIP) 封装的 EEPROM 更容易让业余爱好者刷写，因为它可以使用面包板完成。以下示例命令创建一个准备好使用树莓派 GitHub 存储库中的 eepmake 工具刷写到 EEPROM 上的文件

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

在继续刷写之前，请确保 EEPROM 正确连接到树莓派上的主 I²C 总线（引脚 3 和 5）。（您可以查阅上面链接的 MagPi 杂志文章，了解有关接线原理图的讨论。）然后运行以下命令并按照屏幕上的说明将 .eep 文件刷写到 EEPROM 上

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

在将 EEPROM 焊接到印刷电路板之前，将其移动到面包板上的辅助 I²C 总线并进行测试，以确保其按预期工作。如果您在面包板上测试 EEPROM 时检测到任何问题，请更正设置文件，将其移回主 I²C 总线，然后再次刷写。

测试游戏手柄

现在到了有趣的部分！是时候使用 Raspbian 测试附加板了，您可以从 RaspberryPi.org 下载 Raspbian。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

输出应类似于这样

如果是这样，恭喜您！已成功读取 EEPROM 中的数据。

下一步是验证 Play pHAT 上的按键是否已正确设置并正常工作。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的方式运行。

终于到了玩游戏的时候了！默认情况下，Raspbian 桌面包含 Python Games。从应用程序菜单启动它们。选择音频输出并从列表中选择一个游戏。我最喜欢的是 Wormy，一个类似贪吃蛇的游戏。作为一名前 Symbian 移动应用程序开发人员，我发现玩 Wormy 让我想起了诺基亚辉煌的日子。

使用 RetroPie 进行复古游戏

Raspbian 已经很棒了，但 RetroPie 为复古游戏爱好者提供了更多。它是一个 GNU/Linux 发行版，针对玩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（游戏卡带的数字版本）的模拟器。请记住，由于版权问题，RetroPie 中不包含任何 ROM。您将需要在启动 RetroPie 后找到合适的 ROM 并将其复制到 Raspberry Pi。

开源硬件游戏手柄在 RetroPie 的菜单中运行良好，但我发现启动某些游戏和模拟器后按键会失效。经过调试，我找到了一个解决方案，以确保它们在游戏模拟器中工作：添加一个 Python 脚本来额外软件模拟按键。该脚本可在 GitHub 上找到。以下是如何获取它并在 RetroPie 上安装 Python

sudo apt-get update
sudo 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，以便在 RetroPie 启动时自动执行

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

就是这样！按照这些步骤操作后，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 针接头的 Raspberry Pi 型号的附加板，并在 Raspbian 和 RetroPie 中使用它！

下一步是什么？

将自由和开源软件与开源硬件相结合既有趣又不难，但需要大量时间。在业余时间创建开源硬件游戏手柄后，我在 Crowd Supply 上发起了一项小型的众筹活动，用于在我的家乡保加利亚普罗夫迪夫进行小批量生产。开放源代码硬件协会已将 ANAVI Play pHAT 认证为 BG000007 下的开源硬件项目。即使是保护电路板免受灰尘侵扰的亚克力外壳也是使用自由和开源软件 OpenSCAD 创建的开源硬件。