Mini konsolka do gier na STM32

[MR1979]

Witam!

To mój pierwszy wpis w dziale DIY. Projektem jest (a właściwie dopiero będzie) mini konsolka do gier na STM32F1. Robię ten projekt dla mojego 3-letniego synka.

Docelowo będę mu wgrywać na nią różne napisane przeze mnie gry, ale na początek zacznę od klasyki, czyli gra w węża 🙂 Robiłem już podobny projekt przy okazji kursu SMT32 na Forbocie, więc szybko powinienem napisać niezbędny kod. Tym razem ma to być gotowe urządzenie które bez problemu będzie mógł obsłużyć 3-latek.

Założenia projektu:
1. Mikrokontroler STM32F1
2. Ekran TFT kolorowy 240x320
3. Zasilanie bateryjne LiPo z ładowaniem przez gniazdo USB (więcej szczegółów w moim wątku w dziale Zasilanie - szczególnie ostatni mój post)
4. Obudowa w całości drukowana w 3D
5. Żadnych gotowych modułów. Własny projekt PCB i własny montaż.
6. Klawiatura: Krzyżyk, przycisk A, przycisk B oraz przycisk POWER, jak w starych Game - Boy'ach
7. Dzwięk: Nad tym jeszcze nie myślałem, brak I2S oraz DACa na mojej płytce Nucleo trochę utrudnia sprawę. Może będzie coś na Timerach i PWM. Zobaczymy.

Teraz po kolei. Pierwsze co musiałem zrobić to ogarnąć wyświetlanie na TFT. Zakupiłem trochę w ciemno kilka wyświetlaczy 2,8" na ILI9341. Mój brak doświadczenia z TFT natychmiast się zemścił. Po odbiorze przesyłki okazało się że obsługa SPI wcale nie jest oczywista i jestem skazany na 16-bitową magistralę. Nie znalazłem nigdzie driverów na STM32 do sterowania tym kontrolerem przy takim połączeniu, ale znalazłem kilka projektów na GitHub'ie gdzie było sterowanie przez magistralę 8-bitową. Postanowiłem więc na podstawie tych projektów napisać własne drivery i procedury wyświetlania podstawowych kształtów.

W trakcie prac nad optymalizacją wyświetlania okazało się że jednak 16-bitowa magistrala to doskonały pomysł i jest 4-krotnie szybsza od 8-bitowej. Dlaczego? Już tłumaczę:

Gdy używa się 8-bitowej szyny danych to wysłanie piksela wygląda następująco (już po ustawieniu adresu):

- Ustawiamy pierwsze 8 bitów koloru
- WR strobe - czyli szybka zmiana linii WR na 0 i powrót 1
- Ustawiamy kolejne 8 bitów koloru
- WR strobe - czyli szybka zmiana linii WR na 0 i powrót 1

I powtarzamy do czasu wypełnienia zaadresowanego okienka. Czyli na każdy piksel przypadają 4 kroki.

Gdy używamy 16-bitowej magistrali - wygląda to następująco:

- Ustawiamy 16 bitów koloru
- WR strobe - czyli szybka zmiana linii WR na 0 i powrót 1

I powtarzamy do czasu wypełnienia zaadresowanego okienka. Czyli na każdy piksel przypadają 2 kroki.

Ale przecież pisałem że jest 4 razy szybciej, a tu wychodzi że 2 razy 🙂 No więc łatwo można zauważyć, że przy 16 bitach raz ustawiony kolor na linii danych możemy zostawić do czasu aż będziemy musieli użyć innego koloru. Więc jeżeli mamy kilkaset pikseli do wypełnienia jednym kolorem to raz go ustawiamy, a później już tylko WR strobe tak długo jak potrzebujemy 🙂 Czyli realnie wykonujemy tylko jeden krok.

Zaimplementowałem to w moich driverach i rezultaty były doskonałe. Na tyle dobre że odpadła mi konieczność posiadania pamięci pod bufor klatki. Wszystko wyświetla się błyskawicznie:

Aktualnie mogę wyświetlać do 8Mpix/s, co teoretycznie pozwala odświeżyć ekran 240x320 ponad 100 razy na sekundę na STM32F1 taktowanym 64MHz. Czyli mogę jeszcze podnieść tą częstotliwość do 72 MHz i jeszcze zwiększyć transfery. Niestety chwilowo mam odcięty programator od płytki Nucleo i muszę kożystać z wewnetrznego oscylatora który pozwala rozkręcić mikroprocesor do 64MHz.

Kolejnym problemem z którym musiałem się zmierzyć to mała ilość flash na grafiki do gier. Jak łatwo policzyć jedna pełnoekranowa grafika to 153600 bajty, a mam tylko 128k do dyspozycji. A jeszcze musi się zmieścić program.

Rozwiązaniem problemu jest kompresja. Tu znów musiałem od zera napisać program do kompresji grafiki który spełniałby moje wymagania. Kompresor został napisany w Pythonie. A szybki dekoder zaimplementowany w C w driverach na STM32. Pisałem program praktycznie od zera wg mojego pomysłu. Otóż dzieli on grafikę na bloki o jednolitych kolorach, a ich metadane zapisuje w binarnym pliku wyjściowym, albo w pliku C. Bloki są następujące: pozioma linia, pionowa linia, prostokąt. Pojedynczy piksel to pozioma linia o długości 1.

Kompresja odbywa się przez rozkład grafiki na takie bloki, a następnie zapisaniu ich parametrów do pliku wyjściowego.

Procedurę dekompresji zaimplementowałem w driverach do wyświetlacza, a każdy blok łatwo można wysłać bezpośrednio do pamięci ekranu, gdzie obraz zostaje odtworzony.

Kolejną funkcją którą zaimplementowałem w kompresorze jest możliwość kodowania różnicy pomiędzy dwoma grafikami. Tzn jeżeli robię animację to program kompresuje tylko piksele które różnią dwie klatki.

Poniżej proces odtwarzania obrazka na wyświetlaczu w zwolnionym tempie:

Skoro miałem już ograne wyświetlanie grafiki, przyszedł czas na prototypowanie konsoli i pisanie samego kodu gry 🙂 Aktualnie moje stanowisko pracy wygląda następująco:

Sama gra jest na etapie tworzenia grafiki. Na razie mam animacje na intro:

To tyle na dzisiaj. Wraz z postępami będę aktualizował ten wątek.

Pozdrawiam,
Marek

 

Edytowano Luty 3, 2020 przez MR1979

[Treker (Damian Szymański)]

@MR1979 zapowiada się ciekawie! Przeniosłem do działu z worklogami, zachęcam do publikowania częstych aktualizacji 🙂

[MR1979]

Mały update z frontu 🙂

1. Jest już integracja modułu zasilania z konsolką oraz oprogramowanie przycisku power:

• Przy wyłączonym zasilaniu:

- krótkie naciśnięcie przycisku power - konsolka uruchomi się na chwilę i po chwili wyłączy
- dłuższe naciśnięcie przycisku power - wyświetli ekran powitalny (wtedy można zwolnić przycisk zasilania), a następnie uruchomi się gra

• Przy włączonym zasilaniu:

- krótkie naciśnięcie przycisku power - spowoduje przerwanie gry i powrót do menu głównego
- dłuższe naciśnięcie przycisku power wyświetli ekran zamykania systemu
- gdy zwolnimy przycisk przed upływem 3 sekund - konsolka powróci do głównego programu
- gdy przyciśniemy przycisk powyżej 3 sekund - nastąpi wyłączenie urządzenia z poziomu oprogramowania
- przyciśnięcie przycisku >10s - w razie gdyby urządzenie się zawiesiło - nastąpi wyłączenie awaryjne z poziomu modułu zasilania. Przydatna funkcja, gdy bateria nie ma możliwości odłączenia baterii bez rozkręcania obudowy

2. Jest już podłączona klawiatura

3. Aktualnie myślę nad układem audio. Ponieważ mój STM32F103 nie ma ani I2S (nie mogę podłączyć MAX98357A), ani DAC na pokładzie, więc pozostaje mi tylko PWM i proste odgrywanie melodii zapisanej w postaci nut. Zastosuję PWM do tego i najprostszy możliwy wzmacniacz na jednym tranzystorze (znaleziony w sieci). Zamienię tylko 47uF na 10uF na wejściu. Co prawda wtedy będzie tłumić bardziej przy niskich częstotliwościach, ale dla głośniczka po 2PLN nie powinno to mieć znaczenia. Zmienię też tranzystor na coś podobnego tylko SMD.

Jak ktoś podsunie mi pomysł na coś lepszego do audio to będę wdzięczny 🙂

4. Schemat się rysuje już w KiCad. Jak tylko dogram audio, zabieram się za PCB.

 

A poniżej sekwencja włączenia i wyłączenia konsolki:

 

Edytowano Luty 5, 2020 przez MR1979

[ethanak]

Jeśli jako dźwięk odtwarzasz tylko sygnał prostokątny to po co tam wzmacniacz, który cały czas żre prąd nawet jeśli nie gra? Ja bym zrezygnował w ogóle ze wzmacniacza i wstawił jakiś buzzer piezo, który możesz sterować bezpośrednio z pinu. A jak już wzmacniacz to bez R1 i C1 tylko baza przez rezystor do pinu (sterujesz cewką głośnika tak samo jak przekaźnikiem).

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[deshipu]

Chyba właśnie o to chodzi, żeby ten sygnał prostokątny (relatywnie) wysokiej częstotliwości wygładzić tym filterem R-C, żeby zrobić z niego przebieg bardziej przypominający sygnał audio.

[ethanak]

Tyle że to owszem jest filtr RC, ale górnoprzepustowy - czyli raczej nic nie wygładzi, wręcz przeciwnie.

Zależy wszystko od tego jak to będzie podłączone. Jeśli będzie to zwykły sygnał PWM (tak jak w Arduinowym tone) - żadne kondensatory ani polaryzacja bazy nie są potrzebne. Jeśli to ma być coś w stylu delta-sigma (tyle że to już nie PWM) to filtr RC będzie potrzebny - ale tu go nie ma.

[marek1707]

25 minut temu, ethanak napisał:

Jeśli będzie to zwykły sygnał PWM (tak jak w Arduinowym tone) - żadne kondensatory ani polaryzacja bazy nie są potrzebne

Dokładnie tak. Zastanawiające, że projektujemy spore rzeczy na mikrokontrolerach, wyświetlaczach i cudach na kiju a wykładamy się na pierwszym z brzegu tranzystorze. Stosowanie wzmacniacza w klasie A w ogóle jest bez sensu w projekcie zasilanym baterii. Równie dobrze można grzałkę sobie z boku podłączyć i ręce ogrzewać. Więc albo prosty klucz i sygnał prostokątny, albo sygnał "analogowy" (np. PWM odfiltrowany) i wzmacniacz w klasie B sklecony z paru tranzystorów lub jednej gotowej płyteczki nawet na dziadku LM386 czy jakimś nowszym wynalazku.

https://www.deeptronic.com/electronic-circuit-design/small-audio-power-amplifier-using-3-transistors/

https://abc-rc.pl/product-pol-7673-Modul-wzmacniacza-audio-LM386-wzmocnienie-do-46dB-wejscie-10K.html

https://abc-rc.pl/product-pol-9543-Mini-modul-wzmacniacz-audio-OEP3W-3W-2-5-5V-Klasa-D.html

Wzmacniacze liniowe są o tyle fajne, że można nimi coś powiedzieć lub zagrać w miarę prostymi środkami. Odgrywanie próbek PCM jest trywialne a takie audio na pewno znacznie podnosi atrakcyjność. Za to gdy nie ma takiej potrzeby, równie dobrze można je sterować prostokątem i odgrywać pipczenie bez marnowania prądu jak w pierwotnej propozycji.

[MR1979]

Kolejny update z frontu.

Walczyłem głównie z dźwiękiem. I tak, za radą kolegów powyżej przerobiłem następujące wersje:

1. Modulacja PWM + filtr dolnoprzepustowy.
+ Od strony oprogramowania wszystko ładnie dało się zrobić. Była tablica z wartościami dla funkcji SIN. Zrobiłem 2 kanały z wykorzystaniem jednego timera (wg instrukcji marek1707 znalezionym na tym forum w innym wątku).
- Zastosowanie najprostszego filtru RC nie dało najlepszych rezultatów. Jakość dźwięku była taka sobie. Sygnał na oscyloskopie był daleki od tego co oczekiwałem.
- Miksowanie 2 lub więcej kanałów dość mocno obciąża procesor (bo częstotliwość PWM musi być kilka razy większa od przewidywanej max częstotliwości dźwięku). Gdyby mój układ nie miał nic innego do roboty poza graniem muzyki to poszedłbym w tym kierunku.

2. Symulacja złącza I2S wg instrukcji z ST AN5086 (łatwo znaleźć w google). Czyli linia SCK z SPI jest jednocześnie triggerem dla timera który steruje linią WS (kanał lewy/prawy). - Tak symulowany I2S podłączyłem na próbę do prostego wzmacniacza audio MAX98357A. Tu niestety poległem i nie udało mi się zmusić układu do działania. Uzyskałem sygnał SPI zgodny z oczekiwaniami (przynajmniej tak wyglądało na oscyloskopie), ale wzmacniacz milczał. Podejrzewam że powodem są duże wymagania co do bitrate na wejściu. Bo nie wysyłałem danych ze standardowymi prędkościami audio jakie stosuje się w I2S. Jest też duża szansa że mój sygnał wyjściowy nie do końca był zgodny z wymaganiami I2S.

 

W końcu zrezygnowałem z "zaawansowanego" dźwięku. Czas jednak nie był zmarnowany bo dużo się nauczyłem i nabytą wiedzę wykorzystam w kolejnych projektach.

Ostatecznie zdecydowałem się na zwykły sygnał prostokątny z jednym tranzystorem w roli klucza. Do tego napisałem prostą bibliotekę do odgrywania melodyjek, oraz prostych efektów audio. Całość wykorzystuje jeden Timer. Piszę teraz w Pythonie konwerter plików midi na tablice array które będę mógł użyć w moim projekcie. Zobaczymy co z tego wyjdzie.

Z innych rzeczy to dodałem sterowanie podświetleniem wyświetlacza. Ale to już drobnostka.

Projekt płytki prawie skończony. Jeszcze pozostała kosmetyka. Na razie wygląda to tak:

Pozdrawiam,
Marek

Edytowano Marzec 11, 2020 przez MR1979

[Anonim]

Jeśli nie ma DAC do dyspozycji to można zawsze filtr na wyjściu pwm zrobić na jakimś wzmacniaczu operacyjnym tak, żeby wycinał częstotliwość samplowania. Mam tak zrobione przy bluepillu ze wzmacniaczem TDA2822 w trybie mono (shemat w DS) na wyjściu. Może 100dB nie daje ale wystarczająco do komunikacji z urządzeniem i odsłuchiwania plików wave z karty SD tak więc polecam sprawdzone rozwiązanie.

[MR1979]

Kolejny update.

Płytka drukowana już w ostatecznej wersji. Poniżej wstępny projekt obudowy do wydruku 3D. Po pierwszym wydruku okaże się co i jak jeszcze trzeba będzie poprawić. Niestety z powodu dłuższego wyjazdu szykuje się dłuższa przerwa w pracy nad konsolką. Ale mam zamiar doprowadzić projekt do końca.

Całość:

Elektronika:

Obudowa:

[MR1979]

Witam po przerwie 🙂

Wreszcie mam czas żeby wrócić do projektu. W oczekiwaniu na płytkę drukowaną dopracowuję obudowę:

Na razie wydrukowałem dwa prototypy. Na ich podstawie powstała długa lista poprawek które na bieżąco nanoszę na projekt w Fusion360. Obie połowy są spasowane idealnie. Zrobiłem też test wkładów gwintowanych. Montaż lutownicą przebiegł bez najmniejszych problemów, a obudowa wraz z śrubami TORX od razu nabrała profesjonalnego wyglądu. Chociaż teraz żałuję że nie zamówiłem czarnych śrub.

Mam też pewien problem z wydrukiem 3D, bo płaskie powierzchnie nad suportami wyglądają bardzo źle.... przykład poniżej:

Do tej pory wszystkie wydruki były na średnich ustawieniach z warstwą 0,2mm. Zrobiłem już kilka testów z warstwą 0,1mm, oraz mniejszym odstępem między supportem a modelem i jest lepiej, ale i tak pewnie ostatecznie odwrócę model tak że wszystkie powierzchnie wspierane przez suporty będą wewnątrz obudowy.

To tyle na dziś.

Pozdrawiam,
Marek

 

[Gieneq]

11 godzin temu, MR1979 napisał:

Zrobiłem też test wkładów gwintowanych

Super to wygląda 🙂 zainspirowałeś mnie do przetestowania tych insertów.

11 godzin temu, MR1979 napisał:

pewnie ostatecznie odwrócę model tak że wszystkie powierzchnie wspierane przez suporty będą wewnątrz obudowy.

Środek jest chyba bardziej szczegółowy od tyłu 😞 A myślałeś może o zastosowaniu wypełniaczy do plastiku? Można by to zamalować, przeszlifować i później pomalować.

Edytowano Maj 22, 2020 przez Gieneq

[MR1979]

1 godzinę temu, Gieneq napisał:

Super to wygląda 🙂 zainspirowałeś mnie do przetestowania tych insertów.

Korzystam z serii BN1936 firmy BOSSARD. Wkłady te łatwo wstępnie osadzić w otworze bo na dole mają kilka mm kompletnie gładkie. Otwór montażowy drukuję o 0,1mm większy niż zaleca producent w nocie katalogowej.

1 godzinę temu, Gieneq napisał:

Środek jest chyba bardziej szczegółowy od tyłu 😞 A myślałeś może o zastosowaniu wypełniaczy do plastiku? Można by to zamalować, przeszlifować i później pomalować.

Niestety nie mam warunków ani narzędzi do szlifowania plastiku w mieszkaniu.

[ethanak]

12 godzin temu, MR1979 napisał:

płaskie powierzchnie nad suportami wyglądają bardzo źle.... przykład poniżej:

Nie wiem jakiego slicera używasz, ale Cura ma coś takiego jak "support roof" - może pomoże?

[MR1979]

9 godzin temu, ethanak napisał:

Nie wiem jakiego slicera używasz, ale Cura ma coś takiego jak "support roof" - może pomoże?

korzystam właśnie z Cury i opcje support roof mam włączoną. Chętnie bym przetestował Simplify3D ale nie mają nawet wersji próbnej. Jak ktoś korzystał z tego oprogramowania to chętnie wysłucham opinii.