TECHNO BROTHER

Последнее время мне стали часто попадаться упоминания контроллеров Teensy, причём в самых интересных и мощных проектах. Какое-то время я не обращал на это внимание, но потом заинтересовался этой темой и чем дальше я в неё погружался, тем больше впечатлялся.

Оказывается, последняя версия Teensy 4 сделана на основе Cortex M7 и работает на частоте 600 МГц, причём ядро там довольно продвинутое и позволяет исполнять две инструкции за такт, использует предсказание ветвлений и аппаратную обработку 64-битных чисел с плавающей точкой, а также много чего ещё, в том числе имеет на борту много RAM, Flash и PSRAM памяти и т. д.

В общем, контроллер очень продвинутый и позволяет создавать проекты в области обработки звука, управления массивами светодиодов, вывода видео на LED экраны, создания музыкальных синтезаторов и т. д. и т. п.

В результате я пришёл к выводу, что с этим стоит познакомиться поближе и на Али был заказан комплект Teensy 4.1 с Audio и Ethernet расширениями, а затем я с большим удовольствием поэкспериментировал с этим железом. Ну а далее я предлагаю свой отчёт о проведённых экспериментах, а также поделюсь своими впечатлениями о Teensy 4.1.

❯ Teensy 4

Серия Teensy 4 состоит из двух моделей: Teensy 4.0 (урезанная версия) и Teensy 4.1 (полная версия). Teensy 4.0 «урезана» не в смысле функционала (ядро там такое же), а в смысле форм-фактора — младшая модель имеет плату меньшего размера с меньшим числом пинов, поэтому на ней просто физически нет места для картридера и Ethernet чипа.

Также, в экосистему Teensy входят и некоторые дополнительные компоненты, например, Audio плата, выносной Ethernet разъём, USB хост разъём и пр. Это сделано для того, чтобы пользователь мог выбрать нужную для его проекта конфигурацию и не переплачивать за ненужные ему части.

❯ Ядро Cortex M7

В основе Teensy 4 лежит микроконтроллер i.MX RT1060 на ядре Cortex M7 производства NXP Semiconductors. Штатно ядро работает на частоте 600 МГц и потребляет при этом около 100 мА. Ядро позволяет как снижать тактовую частоту для экономии энергии, так и наоборот, разгонять её до 1 ГГц, если этого требует решаемая задача.

Как я уже отметил выше, ядро позволяет исполнять две инструкции за такт, использует предсказание ветвлений и аппаратную обработку 64-битных чисел с плавающей точкой. Кроме того, ядро поддерживает DSP инструкции, которые ускоряют обработку сигналов, имеет на борту генератор случайных чисел, крипто-акселератор и множество других возможностей.

Результат бенчмарка CoreMark, который лучше всяких слов говорит о том с чем мы мы имеем дело.

Teensy 4 в 330 раз быстрее (мощнее) чем ATmega2560, в 24 раза быстрее Arduino Due и в 6,5 раз быстрее в вычислениях, чем ESP32. Плюс нужно помнить, что Teensy 4, в отличие от ESP32, снабжена полноценным набором пинов и множеством других функций.

❯ Память

Штатно на Teensy 4.1 присутствует 8 МБ Flash памяти и 1 МБ оперативной памяти. Для контроллера это очень много и я даже затрудняюсь придумать задачу, которой потребовалось бы такое количество памяти. Единственное, что приходит в голову — это хранение данных и вычислений в аудио, видео, научных приложениях и приложениях управления матрицами светодиодов.

Но и этого создателю Teensy 4 (Paul Stoffregen) показалось мало и он предусмотрел возможность добавления ещё 8/16 МБ PSRAM и/или Flash памяти на плату.

Итого, Teensy 4.1 может иметь следующие конфигурации памяти:

8 МБ Flash + 1 МБ ОЗУ + 8 МБ PSRAM + ещё 8 МБ Flash

или

8 МБ Flash + 1 МБ ОЗУ + 16 МБ PSRAM

Внутренняя память 1 МБ разбита на два пула по 512 КБ, причём первый пул (RAM1) имеет быстрые 64/32-битные шины связи с процессором, а второй пул (RAM2) оптимизирован для DMA доступа (32 канала).

Имеется также два кэша по 32 КБ для ускорения работы с не TCM памятью.

В качестве EEPROM имеется 4284 байта памяти, эмулируемых во Flash.

❯ GPIO

Teensy 4.1 имеет 55 GPIO, 35 из которых поддерживают функцию PWM и 18 аналоговых входов (10/12-бит).

Все GPIO поддерживают работу с прерываниями и могут конфигурироваться на вход и выход с использованием подтягивающих резисторов INPUT_PULLUP, INPUT_PULLDOWN, OUTPUT_OPENDRAIN и т. д. GPIO на Teensy 4.1 поддерживают также различные продвинутые функции, наподобие настраиваемой нагрузочной способности и регулируемой полосы пропускания.

Лучше всего о количестве и назначении GPIO Teensy 4.1 скажет распиновка платы контроллера.

Кроме этого, Teensy 4.1 содержит ещё огромное количество функций и возможностей, перечислять которые здесь не входит в мою задачу — всю эту информацию можно найти в официальной документации производителя.

Приведу здесь только краткий список основных характеристик контроллера:

• ARM Cortex M7 600 МГц

• Блок вычислений с плавающей точкой, 32 и 64 бита

• 32 DMA канала

• 7936 КБ Flash, 1024 КБ RAM (2x512K), 4 КБ EEPROM (эмуляция)

• Опционально QSPI расширение памяти, два чипа PSRAM/Flash

• 55 GPIO (35 PWM)

• 18 аналоговых входов

• 8 Serial, 3 SPI, 3 I2C портов

• 2 I2S/TDM и S/PDIF цифровой аудио порт

• 3 CAN интерфейса (один с CAN FD)

• SDIO (4 bit) встроенный порт SD карты

• 10/100 Ethernet (DP83825 PHY)

• USB устройство 480 Мб/с и USB хост 480 Мб/с

• Ускорение криптографических функций и генератор случайных чисел

• Часы реального времени (RTC)

• Конвейер обработки графики

• Управление питанием (Low-Power и Power On/Off)

• Прочие функции
  

❯ Внешний вид

Поставляется Teensy 4.1 в более чем скромной упаковке. Вообще-то должна быть ещё листовка с распиновкой и упаковочный пакт должен быть другим. Судя по всему, это не оригинальный контроллер, а его китайская копия (причём, что интересно, дороже оригинала).

Весь комплект выглядит следующим образом: контроллер Teensy 4.1, Audio плата, Ethernet разъём с кабелем и кабель с USB входом.

Пинов и разъёмов в комплекте нет, поэтому всё это изобретать и колхозить придётся самостоятельно. И тут, в самом неожиданном месте, нас ожидает засада: геометрия плат, мягко говоря, странная, особенно это касается Audio платы (но об этом подробнее ниже).

❯ Паяем контроллер

С длиной платы разработчик явно переборщил. Работа с такой узкой и длинной платой не очень комфортна: при любом механическом усилии, например, при извлечении из жёсткой макетки, плата грозит переломиться пополам или повредить тонкие дорожки из-за механического изгиба.

Если посмотреть на распиновку выше, то становится понятно, что плата Teensy 4.1 является удлинённой и совместимой по пинам копией Teensy 4.0. В чём-то это даже неплохо — эта совместимость позволяет использовать аксессуары (например Audio плату) с обоими типами контроллеров.

С распайкой пинов тоже не всё так просто: нельзя просто так взять и распаять Teensy 4.1 (смайл). Если сначала распаять боковые пины, то потом будет крайне сложно запаивать многочисленные разъёмы, которые присутствуют на плате. Поэтому сначала нужно паять пины разъёмов, а затем уже боковые пины.

Кроме этого, тут присутствует ещё один нюанс — если сразу запаять все линейки боковых пинов, то потом, если они вам понадобятся, будет проблематично припаять микросхемы дополнительной памяти.

Не сказать, что дополнительная память на Teensy мне очень нужна, но не хочется закрывать себе возможность в будущем допаять нужные микросхемы. Поэтому я просто оставил несколько боковых пинов нераспаянными. В будущем их можно будет в любой момент допаять, а если понадобится дополнительная память, то не будет проблем и с её добавлением.

❯ Audio плата

Чем руководствовался разработчик, когда делал эту плату мне не очень понятно. Она какая-то несуразная, с какой стороны на неё ни взгляни. Ряды пинов для установки Teensy проходят прямо посередине платы, сбоку, без всякой системы, налеплены дополнительные элементы.

Когда это собирается в общий бутерброд, то получается какая-то странная конструкция, ни на что не похожая и весьма корявая на вид. Особенно это касается связки с длинной Teensy 4.1.

Я долго думал как всё это грамотно и максимально функционально запаять и остановился на варианте с проходными разъёмами с длинными пинами, чтобы Audio плату можно было вставить в макетку (или другую плату) и одновременно сверху прикрепить Teensy 4.1.

А вот к собственно функционалу Audio платы у меня претензий нет. Она сделана на чипе SGTL5000, имеет два I2S/TDM и один S/PDIF порт, микрофонный вход, картридер для microSD карт памяти и аудио выход.

Народ на этой плате и этом комплекте с Teensy творит чудеса (чуть подробнее о программировании обработке звука будет сказано ниже).

❯ Ethernet

Как вы уже заметили, у Teensy (в отличие от ESP32) «из коробки» отсутствует поддержка сетевых интерфейсов. А это, безусловно, важнейшая часть любой микроконтроллерной системы — одно дело одиночный контроллер и совсем другое — контроллер с сетевым управлением.

На плате Teensy 4.1 присутствует чип Ethernet физики DP83825 и для подключения к локальной сети нужно ещё добавить разъём RJ45 со специальным шлейфом.

И снова возникает вопрос к разработчику: на микро-плате разъёма нет свободного места и отсутствуют отверстия или какие-либо элементы его крепления. И каким образом предполагается крепить всю эту конструкцию? Особенно учитывая то, что она испытывает довольно значительные механические нагрузки при коммутации патч-кордов.

❯ Софт

Теперь нужно сказать несколько слов о программном обеспечении для всей этой экосистемы. Как бы ни был хорош контроллер, без программного обеспечения это просто кусок текстолита с детальками. А вот с софтом у Teensy всё просто отлично. Поддерживаются:

• Arduino IDE + Teensyduino

• Visual Micro (Microsoft Visual Studio)

• PlatformIO

• CircuitPython

• Command Line with Makefile

Другими словами, какой бы квалификацией вы ни обладали и к какой касте программистов вы себя ни причисляли, с программной частью реализации ваших идей на Teensy проблем не будет.

Главное, чтобы сами идеи были (смайл).

❯ Arduino

Далее я в двух словах расскажу об инсталляции системы и принципах работы с ней в среде Arduino. Тут тоже есть несколько нестандартных и неочевидных моментов.

Прежде всего, на вашем компьютере уже должна быть установлена Arduino IDE. Причём не имеет значения в каком варианте она установлена — одинаково хорошо поддерживается интеграция и с обычной и «portable» версиями Arduino. В моём случае использовалась portable версия Arduino 1.8.5.

Со страницыскачивается Teensyduino и в несколько кликов устанавливается поверх вашей Arduino IDE.

После этого в вашей привычной среде Arduino появляется поддержка всего семейства контроллеров Teensy, с совместимыми библиотеками и примерами использования нового контроллера. Всё происходит очень гладко и совершенно беспроблемно. Все ваши старые настройки остаются нетронутыми.

Тут мне хотелось бы отдельно отметить эту очень приятную особенность программной поддержки Teensy. На удивление всё работает без каких-либо глюков и проблем. Это совершенно нехарактерно для Arduino — я уже привык, что постоянно возникают какие-то проблемы, но с Teensy этого не происходит — всё работает как часы.

В базовой поставке Teensyduino я насчитал 92 (!) совместимые библиотеки. Причём все библиотеки, что я успел опробовать, тоже работали отлично — ни глюков, ни ошибок компиляции, вообще ничего такого — всё просто работает так, как и должно работать (что, как я уже отметил, даже непривычно).

❯ Компиляция и загрузка

Поскольку в Teensy 4, кроме основного M7, используется еще вспомогательный микроконтроллер NXP MKL02Z32 (M0), при помощи которого происходит загрузка программы в память основного контроллера, то процедура загрузки скетча тоже несколько отличается от стандартной.

После инсталляции Teensyduino, во время первой компиляции, нужно нажать кнопку на контроллере.

Далее система опознаёт вашу плату Teensy и затем уже работа с Arduino IDE происходит как обычно. Все действия по согласованию с контроллером система проводит самостоятельно и прозрачно для пользователя.

❯ Audio

Teensy 4.1 в одной из своих частей «заточена» для работы со звуковыми потоками и обработки и генерации звуков. Это отдельная огромная тема, здесь я только отмечу основные моменты.

Народ использует Teensy для создания синтезаторов и прочих устройств работы со звуком. Прелесть всей этой системы заключается в том, что готовый синтезатор стоит тысячи долларов, а точно такой же на Teensy — всего сотню-другую. По этой теме в интернете существует множество проектов, в том числе и открытых.

В среде Teensyduino для программирования аудио существуют специальные функции, которые можно использовать как и любые другие функции в среде Arduino. Плюс к этому существует ещё и специальный визуальный редактор.

Он позволяет конструировать нужную обработку аудио сигналов из стандартных блоков, просто соединяя их входы и выходы. После нажатия кнопки «Export», визуальная конструкция преобразовывается в обычный код Arduino.

❯ Тестирование

Это всё отлично, но хотелось бы проверить Teensy 4 на чём-нибудь более сложном, чем простые примеры из библиотек. В качестве более серьёзного теста попробуем портировать систему AMS на новую платформу Teensy 4.1 (Cortex M7).

Это уже более серьёзный тест, который задействует работу вычислительного ядра микроконтроллера, взаимодействие его с чипом Ethernet физики DP83825, реальную сетевую работу, параллельное взаимодействие с microSD картой памяти и прочие ресурсы системы. И нормально работать эта связка будет только в том случае, если всё задействованное железо работает нормально и весь управляющий софт адекватно взаимодействует с этим железом.

Примечание. Проверка производилось на внутренней тестовой сборке AMS для Teensy 4.1. Распространение этой версии не планируется, возможно это будет сделано позже, после соответствующих доработок.

Что лично меня приятно удивило, то это такая же беспроблемная работа Teensy с сетевым чипом, как и общая адекватная работа самого контроллера — сетевое соединение просто работает. Отсутствуют какие-либо глюки или проблемы.

Система загрузилась, стартовали все сервисы, всё железо адекватно определилось, по сети без проблем получено время по NTP. Сервер работает в тестовой конфигурации.

Ещё небольшой коммент, это уже наверное в качестве курьёза. Ниже представлено наглядное сравнение объёмов оперативной памяти Arduino Mega и Teensy 4.1. Здесь мы имеем в 125 раз больше оперативной памяти (смайл).

Как говорится, почувствуйте разницу. Тут уже, при наличии соответствующей квалификации, можно запилить свой собственный мини-Linux и вообще ни в чём себе не отказывать.

❯ Примеры проектов

На Teensy 4 сделано огромное количество проектов — роботы, квадрокоптеры, синтезаторы, системы иллюминации на светодиодах, вывод видео на LED матрицы и прочие виды дисплеев, анализаторы и визуализаторы сигналов и т. д. и т. п.

В качестве наглядного примера одного из таких (потрясающих) проектов можно посмотреть ролик о работе светодиодного куба 16х16х16 на светодиодах WS2812 с индивидуальной адресацией. Всей этой феерией из 4096 светодиодов управляет… да, именно Teensy 4.

Также для Teensy различными компаниями и отдельными энтузиастами выпускаются «материнские» платы для различных сфер применения — от тех же плат синтезаторов до целых комплексов для разработки на Teensy.

❯ О чём не удалось рассказать

Очень и очень о многом. Teensy 4.1 — это невероятно обширная тема, все аспекты которой невозможно охватить в одной статье. За бортом осталось описание криптографических возможностей Teensy, работа в качестве периферийного устройства или USB хоста, работа часов реального времени (RTC), управление питанием и режимами работы контроллера, работа с DMA каналами доступа к памяти, работа с таймерами и т. д. и т. п.

❯ Проблемы

Проблем я не заметил, из того, что мне не очень понравилось, могу отметить только большое время компиляции проекта. Ни для одной другой платформы код так долго не компилируется. На i5 работать не очень комфортно, желательно использовать какое-то более мощное железо.

Из приколов могу отметить только отсутствие кнопки «Reset» на плате контроллера. Как автор такой великолепный разработки до этого додуматься — совершенно непонятно. В руководстве предлагается перезагружать контроллер программно. Тут я даже не знаю что сказать.

❯ Заключение

Мощная платформа с великолепными возможностями и качественной программной поддержкой — у меня за всё время тестирования не было ни одного инцидента — всё работает как часы.

Ну и совершенно замечательная игрушка для гиков, платформа для обучения и платформа для реализации ваших самых дерзкихкреативных проектов.

А ещё я держу все свои проекты у одного облачного провайдера — Timeweb Cloud. Потому нагло рекомендую то, чем пользуюсь сам — вэлкам :)

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

И сдвигаем верхнюю крышку, я делал это аккуратно об углол стола

Затем находим на плате куда подключается родная антенна. На замену нам потребуется антенна с проводом под разъем MHF4 для подключения к материнской плате, я заказал несколько разных проводков, т.к. на глаз определить разъем не смог.

Снимаем старый разъем и подключаем новый. В моем случае я продел проводок через отверстие под коннектор RJ45 т.к. в нем уже было отверстие ведущее внутрь корпуса а использовать его я не планирую.

Далее накидал маленькую модельку под 3д печать для крепления антенны на подвесе, который ранее спроектировал для того чтобы приставка висела прикрепленная к стене в нише за телевизором, приклеил держатель на клей и вуаля!

Я понимаю что было бы не плохо сделать замеры по приему wifi до и после замены, но об этом я подумал уже после того как все собрал и делать это уже было лень.

Как итог протестировал на том же 26Гб файле и он теперь отлично проигрывается без тормозов через сеть и флешка больше не нужна! (И да это она там за антенной облепленная радиаторами, т.к. по какой то причине в приставке она очень сильно греется, видимо как то странно приставка работает с флешками)

Ескли кому нужна 3D модель крепления приставки, а так же крепление под антенну и под пульт, то я выложил модельки на Thingiverse в открытом доступе, при желании могу выдать оригиналы чертежей сделанные в T-Flex CAD
https://www.thingiverse.com/thing:5638855

❯ Предисловие

Думаю многие мои давние читатели заметили, что примерно четверть статей в моем блоге так или иначе касается вопроса игр и портативного гейминга. За почти три года существования блога, мы с вами успели не только поностальгировать и потыкать игровые гаджеты, но и отремонтировать часть из них, узнать как разрабатывались и работали «под капотом» игры и даже попытались спроектировать свою собственную игровую консоль!

Почти два года назад в моей голове уже возникала идея сделать «портативку» из полурабочего гаджета. В то время я хотел рассказать читателям о том, что многие старые девайсы можно использовать в качестве одноплатных компьютеров и HMI-панелей благодаря наличию пятачков с шиной UART на плате, с которой можно легко взаимодействовать в Android-приложениях! В качестве реального примера использования я взял планшет с нерабочим тачскрином, подключил через UART геймпад, разработанный на базе RP2040 и написал программу, которая читает UART и инжектит состояние кнопок напрямую в драйвер ввода:

С тех пор прошло много времени, в моей коллекции появились некоторые серийные игровые-смартфоны и даже прототипы никогда не выходивших устройств. Однако по своей натуре я прожженный гик, у меня постоянно чешутся руки что-то запрограммировать и собрать самому.

Недавно я осматривал свою коллекцию гаджетов и на полочке с смартфонами Samsung обнаружил легендарный Galaxy S4 Mini, который мне когда-то дарил один из читателей. У смартфона отсутствовала задняя крышка, средняя часть корпуса была немного ободрана, однако несмотря на почтенный возраст в 12 лет, смартфон продолжал нормально работать и даже AMOLED-матрица у него ничуть не выгорела!

И тут в моей голове что-то щёлкнуло: я вспомнил что S4 Mini — смартфон с довольно неплохим железом для эмуляторов и очень крутым даже по современным меркам AMOLED дисплеем. На моей памяти, в мире не выходило ни одного серийного игрового телефона в монолитном корпусе с OLED-матрицей, а тут ещё рядом лежал оригинальный N-Gage, который я недавно купил в утиле и восстановил после воды. Я взвесил все за и против, прикинул схему и конструктив будущего устройства и принялся мастерить...

Перед тем как начать работу, нам необходимо определится с тем что нам нужно будет сделать для реализации такого гаджета на практике:

• В первую очередь, нам необходимо продумать как геймпад будет общаться с нашим устройством. За исключением моего хака с UART'ом, у нас есть два варианта: первый — микроконтроллер выполняет роль USB-HID устройства (прикидываясь клавиатурой) и подключается к OTG-хосту гаджета. Среди плюсов этого подхода можно выделить низкую задержку, однако минусов гораздо больше. Например, далеко не все старые устройства поддерживают OTG и могут быть проблемы с реализацией одновременной работы USB-хоста и зарядки (зависит от реализации OTG в каждом конкретном устройстве). А второй вариант — это Bluetooth-HID, который работает почти с любыми Android устройствами, однако потребляет чуть больше энергии и может иметь небольшой инпут-лаг.
  
  После расследования выяснилось, что у S4 Mini OTG нет, а значит остается лишь один вариант — Bluetooth. Среди дешевых микроконтроллеров с BT выделяется лишь ESP32, который стоит буквально три пачки доширака. Его мы с вами и выберем.

• Далее нам необходимо придумать внешний вид устройства. Изначально мне хотелось, чтобы гаджет по форм-фактору и эргономике напоминал оригинальный N-Gage. Но поскольку мне не хотелось делать слишком длинную «колбасу» и бюджета по свободному пространству в корпусе откровенно не хватало, пришлось пойти на некоторые ухищрения — например, расположить блок кнопок вертикально.

• Теперь самое сложное — смоделировать более-менее адекватный корпус и подогнать детали так, чтобы их хоть как-то можно было состыковать и закрепить. Я в 3D-печати новичок, а в вопросах проектирования корпусов — вообще неотесанный селюк, поэтому мне оставалось лишь смоделировать в блендере выпуклый меш, импортировать в TinkerCad и затем CSG'шками вырезать в нём дырки отверстия.

• И самое легкое — написать прошивку для микроконтроллера и спаять всё вместе, дабы наши кнопочки не просто прикольно щелкали, но и на практике работали в системе!

Звучит как приключение на 5 минут. Но вот как на практике? Давайте посмотрим!

❯ Моделируем корпус

В первую очередь я сел моделировать корпус устройства и прикидывать его размеры. В TinkerCad'е CSG'шками сделать корпус по референсу проблематично (по крайней мере для меня), поэтому я решил смоделировать основу в блендере. Я взял рендеры N-Gage с фронтальной части, установил камеру в ортографическую проекцию и принялся повторять контур корпуса оригинального телефона. После этого я создал грани на одной половинке корпуса, продублировал все вершины и отзеркалил их с другой стороны. Таким образом, корпус получился одинаковым (кривым) с обеих сторон.

Далее я убрал лишние рёбра посередине и вытянул корпус по оси Z с помощью инструмента Extrude. Теперь это напоминает поделку семикласника на уроке обращения с рубанком:

Дальше я использовал инструмент Inset faces, дабы создать новые грани на плоскости и вытянуть из них фронтальную часть корпуса. Таким образом, мы получаем ровные и мягкие стенки, которые затем можно смягчить ещё больше с помощью модификатора Bevel:

Однако сейчас геометрия нашего корпуса полая, внутри неё ничего нет. Чтобы добавить внутренние стенки, мы воспользуемся модификатором Boolean (CSG) в блендере: дублируем геометрию нашего корпуса, немного уменьшаем её по оси X и Y (чем меньше дубль, тем толще будут стенки), и затем сдвигаем немного вниз, а затем на основном объекте корпуса добавляем модификатор Boolean, устанавливаем режим Difference, ставим дубль в качестве второго объекта и жмём Apply. Теперь у нашего корпуса внутри отнюдь не пустота!

Далее экспортируем модель в STL, импортируем её в TinkerCad и берём линейку в зубы. Пора замерять габариты нашего устройства и размер дисплея.

Поскольку S4 Mini уж очень скругленный, я аппроксимировал его размеры до прямоугольника (ни слово про мыло!). Над этим прямоугольником я расположил прямоугольник размером с дисплей, который и вырежет нам пространство для этого самого дисплея:

На этом подготовка болванки корпуса закончена, переходим к реализации геймпада.

❯ Геймпад

Изначально я решил распаять все кнопки геймпада на двух макетных платах — первая с «стрелками» будет установлена слева, вторая с кнопками действий — справа. Поскольку место в корпусе сильно ограничено, текстолит я решил распилить: для этого я сделал насечки канцелярским ножом и затем руками отломал ненужные части.

В качестве кнопок я решил использовать обычные DIP-микрики, поскольку в моем городе не было ни плоских SMD-кнопок, ни тем более мягких мембранных. А ещё они прикольно щёлкают. Я, как пользователь механической клавиатуры, гарантирую это!

Для реализации обработки кнопок есть несколько подходов:

• «В лоб»: самый простой и самый подходящий для геймпадов. На один входной GPIO микроконтроллера вешается подтягивающий резистор и кнопка, которая коммутирует массу. Главный плюс такого подхода — возможность зажимать сколько угодно кнопок одновременно, а если ножек на микроконтроллере не хватает, то всегда можно использовать сдвиговый регистр!

• На резисторах: требует наличия ADC в микроконтроллере. Принцип работы заключается в том, что на выходе каждой кнопки установлен резистор определенного номинала. В прошивке микроконтроллера опытным путем задается диапазон значений ADC, который соответствует нажатой кнопке. Такой подход иногда используется в планшетах для обработки кнопок по типу включения, громкости и т.п.

• Матричный: используется в клавиатурах, в том числе и в телефонах. Позволяет реализовать 16-кнопочную клавиатуру всего с 8-ю сигнальными линиями, однако с таким подходом нельзя нажимать сразу несколько кнопок кнопок в одной «линии» одновременно. Этим и страдали некоторые китайские игровые консоли, на которых нельзя было одновременно зажать вверх и влево или A и B!

Поскольку у нас всего 10 кнопок, мы выберем первый подход. Для этого мы подведем общую массу к нашей макетке, от которой пустим перемычки (дорожки) к каждой кнопке, а с другой стороны подпаяем провода, которые пойдут на входы в наш микроконтроллер.

После этого я наконец-то напечатал первую примерочную болванку, в которой всё помещалось идеально! Время от раздумий до первой болванки — ~5-6 часов:

❯ Стыкуем корпус

Если с моделированием корпуса у меня проблем не возникло, то стыковка деталей — вопрос совершенно другой, особенно для человека без опыта проектирования корпусов. В какой-то момент времени я даже впал в депрессию и сломал парочку болванок, хотя планировал их оставить в коллекции на память. Что-ж, будет памятью о моей вспыльчивости:

Сначала я решил сделать толкатели кнопок. Для «стрелок» я решил сделать классическую крестовину в духе GBA, а кнопки действий решил сделать цилиндрическими. Здесь в целом ничего сложного: подгоняем размеры толкателей к размерам кнопок, делаем у них небольшую выемку снизу, которая будет «шляпкой» для самих кнопок, а также добавляем «юбку» по бокам как ограничитель, дабы они не выпадали из корпуса:

С крестовиной всё чуточку сложнее: сначала я сделал монолитную в стиле GameBoy, однако из-за того что расстояние между кнопками относительно маленькое, при нажатии на стрелку иногда нажималась и вторая кнопка. Поэтому я решил её разделить на несколько частей, оставив характерный рельеф посередине для лучшей тактильности. Я печатал много разных вариантов: подгонял зазоры для уменьшения люфта и добавлял тактильные выемки, однако остановился на классическом варианте. Далее встал вопрос как закрепить плату с геймпадом с обратной части корпуса. Я долго думал и прикидывал варианты: хотел и саморезы вкручивать, и гайки вплавлять, но потом придумал что самым лучшим и надежным решением будут салазки приклеенные на дихлорэтан, которые при желании можно снять не ломая корпус, но которые будут хорошо выдерживать постоянное усилие со стороны игрока!

Когда зазоры были подогнаны, я принялся моделировать заднюю крышку. Дабы она не выбивалась из общего стиля, я сделал её из фронтальной части корпуса: продублировал, отменил все CSG-операции характерные для основного корпуса и обрезал стенки одним большим кубиком.

Нарезаем модель в слайсере и печатаем! Как по мне, получилось очень даже стильно. Да, кто-то скажет, мол, видно, что это колхоз, не Industrial-grade, но как по мне для самоделки вполне на уровне!

На этом разработка корпуса наконец-то закончена!

❯ Пишем прошивку

Теперь, когда корпус нашего устройства готов и элементы в нём более-менее стыкуются, можно перейти к написанию прошивки. Как я уже говорил ранее, в качестве микроконтроллера я решил выбрать ESP32 благодаря копеечной цене и наличию неплохого BT-стека:

В качестве основы я взял официальный сэмпл BT HID-устройства с гитхаба Espressif. Собрав прошивку и протестировав что всё работает нормально, я принялся адаптировать её под свои задачи. Сначала я написал код для опроса кнопок: устанавливаем GPIO в режим входа с подтяжкой к высокому уровню, затем по запросу итерируемся по массиву с GPIO и заносим состояние кнопок в отдельный массив:

У любых механических кнопок есть особенность, которая называется дребезг. Случается она в момент когда мы отпускаем кнопку, но при этом размыкатель ещё не полностью поднялся в крайнее верхнее положение. Бороться с этим можно по разному, самый простой способ — программный, когда мы обновляем состояние кнопки только когда прошло определенное время (измеряемое в миллисекундах) с момента прошлого апдейта.

Все HID-устройства описываются специальным дескриптором, однако формат пакетов с репортами о состоянии устройства у них очень сильно отличается: мышки передают ускорение по осям X и Y, а также состояние кнопок, клавиатуры передают до 8-нажатых клавиш одновременно (наследие PS/2), а у геймпадов целый ворох стандартов (DirectInput, XInput... чего только нет. Кстати именно поэтому внешние геймпады обычно имеют несколько режимов). Алгоритм отправки репортов очень прост: 60 раз в секунду проверяем состояние кнопок, если какие-то нажаты — заполняем буфер с нажатыми клавишами и затем отправляем репорт хост-устройству.

Вуаля! Всё работает идеально!

❯ Доводим ПО смартфона

Мы уже почти дошли до финала, осталось лишь чуть-чуть доработать прошивку смартфона! Для этого, его сначала необходимо рутировать: ставим CWM через Odin и устанавливаем SuperSU!

Поскольку кнопку включения я не предусмотрел в корпусе, было решено реализовать автостарт устройства от зарядки — прямо как на айфоне! Большинство смартфонов при отображении анимации зарядки на самом деле загружают ядро Linux и запускают специальную программу. Если эту программу подменить на перезагрузку в обычный режим — мы получим автостарт устройства!

На смартфонах Samsung за это отвечает бинарник /system/bin/lpm или же /system/bin/playlpm. Изначально я хотел сделать жёсткую ссылку на программу reboot, которая не работала пока не были запущены какие-то Samsung'овские службы. Затем я узнал что есть возможность напрямую направить ядру запрос о перезагрузке устройства с помощью sysrq.

Далее был написан простенький скрипт:

Который тоже не работал. И я понял что lpm нужно подменять другой самопальной программой. Так была написана и собрана с помощью NDK вот такая мелкая утилита, с которой уже всё заработало:

Далее необходимо было решить вопрос с виртуальными кнопками: поскольку в корпусе консоли виден только дисплей смартфона без кнопки Home, нам нужен был способ как-то управлять системой. Для этого было достаточно лишь пропатчить build.prop и добавить qemu.hw.mainkeys=0. В S4 Mini программные кнопки работают немного кривовато (только в портретной ориентации - т.е в нашем случае в режиме смартфона), но в целом пойдет. Я ещё немного поигрался в build.prop ради фана и добавил упоминания N-Gage :)

❯ Аппаратные доработки

Далее необходимо было решить вопрос с зарядкой. Как я уже говорил выше, было решено использовать Type-C. Я заказал разъём на плате, разобрал смартфон и кинул перемычки с цепи питания и сигнальных линий на разъем.

Теперь нужно решить задачу запитывания микроконтроллера. ESP32 в режиме BLE кушает целые 130мА (что очень много, телефоны нулевых кушали меньше с учетом параллельно работающего GSM-тракта!) в режиме активной передачи данных. Поскольку на самой плате с ESP32 используется LDO AMS1117 с высоким dropout-напряжением в 1.2В, для использования с обычным литий-ионным аккумулятором необходимо было использовать ULDO с дропаутом в ~0.3В...

...но зачем, если контроллер питания смартфона — буквально и есть многоканальный DC-DC преобразователь, который выдаёт сразу несколько различных напряжений:

• 0.8В-1.2В - VCore, это шина питания ядер процессора. Именно на ней работает вся или почти вся внутренняя логика системы на кристалле.

• 1.2V-1.8V VRef - обычно это референсное напряжение для работы процессора с внешней логикой. Впрочем, с таким напряжением может быть и одна из шин питания для каких-то модулей (например камеры), это зависит от платформы.

• 3.3V - Ну, здесь всё очевидно. 3.3В — одно из самых распространенных напряжений в микроэлектронике и может использоваться в широком спектре модулей. Например оно может использоваться для запитки модуля камеры, различных датчиков, контроллера тачскрина, усилителя и т.п. Именно эта шина питания в идеале нам и нужна.

Однако 3v3 уровни могут быть и логическими. Крайне не рекомендую вешать нагрузку аж в целых 130мАч на какую-нибудь цифровую линию, есть неиллюзорный риск спалить процессор или контролер питания. Лучше всего брать эту шину питания с здоровых decoupling-конденсаторов, однако имейте ввиду что шина может быть нагружена другими устройствами и вы со своей нагрузкой в сотню миллиампер можете увести КП в защиту!

В случае с S4 Mini у меня был сервис-мануал с схемой, где я принялся искать нужное напряжение. Изначально у меня была возможность взять 3.3В с питания eMMC, однако по ходу изучения схемы я заметил ещё одну подходящую шину питания — 3P0 (т.е 3В ровно), которая питает Wi-Fi, ИК-порт и тачскрин.

Я решил заглянуть в даташит на микроконтроллер и убедился, что он умеет работать в том числе и при 3В на входе, однако это пороговое напряжение при котором может работать чип. Если питание нестабильное и проседает, то МК либо зависнет, либо упадет в ресет. Однако я был уверен что на выходе DC-DC с КП смартфона точно должно быть всё нормальным. Я быстренько вывел перемычку и запитал МК буквально «в воздухе», проверил что всё работает стабильно, а затем припаял несколько жилок с LVDS-кабеля и закрепил УФ-маской.

Ну что ж, пришло время собрать всё воедино! Не без помощи дихлоэретана салазки были установлены, платы геймпада вставлены, все питания припаяны, а резьба в задней крышке была нарезана.

И вот, наконец-то моё детище собрано! Давайте же посмотрим что я там насобирал!

❯ Тестируем

Одним из основных критериев будущего игрового смартфона была конечно-же возможность сохранить функционал телефона. Иными словами, мне очень хотелось чтобы девайс повторял концепцию N-Gage и действительно в себе совмещал возможность звонить и удобно играть в игры!

В целом, я считаю что у меня это вполне получилось. Помимо функций самой звонилки, Android 4.4 всё ещё вполне может порадовать владельца базовым серфингом сети (большинство сайтов не откроется... ну нам и опеннета хватит!) и мессенджерами - здесь пока ещё работают и Telegram, и ВК в лице в Kate Mobile. Однако есть определенный нюанс... я взял GT-I9190 - т.е односимочную 3G-версию S4 Mini. А как известно, 3G в России уже практически не используется, поэтому вне Wi-Fi придется ограничится EDGE :)

Вчера я сделал анонс статьи на Пикабу и несколько читателей задали резонный вопрос: это же буквально смартфон 2013 года, он же, на первый взгляд, ничего не умеет в современных реалиях. Однако спешу вас заверить что под капотом всё не так уж и плохо! 400'ого Snapdragon'а хватает для большинства мобильных игр тех лет, не говоря уже об эмуляторах. При этом в отличии от старших 600'ых снапов (тогда 800'ый ещё не вышел), он не слишком сильно греется и более лоялен к и без того не самому объёмному аккумулятору!

Однако про опыт использования смартфонов прошлых лет в современных реалиях я уже не раз рассказывал в других своих статьях, поэтому предлагаю перейти к тесту игр. И начнем мы с вами с эмулятора NES.

Когда запускаешь любимый Super Mario Bros на офигенной AMOLED-матрице, то сразу понимаешь что весь проект был затеян точно не зря. После отключения линейного фильтра и растягивания картинки на весь экран, то диву даешься какие тут сочные цвета - не как на ЭЛТ-телевизоре, но тоже очень годно! Эмулятор работает очень шустро!

Давайте же перейдем к чему-то ещё более пестрому и "графонистому" - а именно к Sega Mega Drive с оригинальным Соником! Здесь игра точно также летает, звук не хрипит, а картинка выглядят максимально приятной. Когда-то AMOLED-матрицы Samsung ругали за PenTile и немного не естественную цветовую схему... но в эмуляторах она как-будто какой-то шарм придает.

Далее предлагаю опробовать DOS'овскую классику - Wolfenstein 3D. Помимо "вольфа", я хотел добавить в тесты также и Quake... но порты попались кривые и не запускались. Очевидно что игра, которая шла даже на 286'ом, будет отлично летать на S4 Mini:

Ну и нативные игрушки здесь тоже работают неплохо. В какие-нибудь аркады типа Angry Brids, Fruit Ninja или Asphalt можно поиграть с большим удовольствием!

❯ Заключение

Вот такой незамысловатый и полезный девайс у нас с вами сегодня получился. Вы можете собрать такой и сами, схему, код прошивки и исходные файлы моделей я выкладываю на своём Github. Корпус можно "пощупать" в TinkerCad.

Сама разработка заняла всего 7 дней, большая часть времени ушла на подгонку деталей. Да, эту неделю я определенно точно почти не спал и даже один раз попсиховал. Однако все время разработки мне было дико весело и интересно. Ну, а что ещё пареньку в 23 года то нужно, кроме как писать код, копаться в девайсах и ТАЗах!?

Жду ваше мнение о моей самоделке в комментариях! А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет, подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я публикую бэкстейджи статей, иногда полезные посты ну и немножечко щитпоста! Если вам интересны мои видео той же тематики — предлагаю подписаться на мой YouTube-канал.

Важно

Друзья! Для подготовки статей с разработкой самопальных игрушек под необычные устройства, объявляется розыск телефонов и консолей! В 2000-х годах, китайцы часто делали дешевые телефоны с игровым уклоном — обычно у них было подобие геймпада (джойстика) или хотя бы две кнопки с верхней части устройства, выполняющие функцию A/B, а также предустановлены эмуляторы NES/Sega. Фишка в том, что на таких телефонах можно выполнять нативный код и портировать на них новые эмуляторы, чем я и хочу заняться и написать об этом подробную статью и записать видео! Если у вас есть телефон подобного формата и вы готовы его задонатить или продать, пожалуйста напишите мне в Telegram (@monobogdan) или в комментарии. Также интересуют смартфоны-консоли на Android (на рынке РФ точно была Func Much-01), там будет контент чуточку другого формата :)

А также я ищу старые (2010-2014) подделки на брендовые смартфоны Samsung, Apple и т. п. Они зачастую работают на весьма интересных чипсетах и поддаются хорошему моддингу, парочку статей уже вышло, но у меня ещё есть идеи по их моддингу! Также может у кого-то остались самые первые смартфоны Xiaomi (серии Mi), Meizu (ещё на Exynos) или телефоны Motorola на Linux (например, EM30, RAZR V8, ROKR Z6, ROKR E2, ROKR E5, ZINE ZN5 и т.п, о них я хотел бы подготовить специальную статью и видео т. к. на самом деле они работали на очень мощных для своих лет процессорах, поддавались серьезному моддингу и были способны запустить даже Quake!). Всем большое спасибо за донаты!

Статья подготовлена при поддержке TimeWeb Cloud. Подписывайтесь на меня и @Timeweb.Cloud чтобы не пропускать новые статьи каждую неделю!