本項(xiàng)目以使用WS2812B迷你LED矩陣作為顯示器的想法開始，搭配微控制器(Waveshare RP2040 Tiny)來(lái)控制矩陣并處理所有游戲邏輯。

為了把所有的東西結(jié)合在一起，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)定制的PCB，集成了14×20 LED矩陣、輸入按鈕和專用電源管理電路。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)LiPo電池供電，板載電源管理IC負(fù)責(zé)電池的充電和放電。

本文介紹了該項(xiàng)目的完整構(gòu)建過(guò)程;讓我們開始吧。

材料要求

本項(xiàng)目使用了以下材料：

?定制PCB (HQ NextPCB提供)

?RP2040微型浪享板

?WS2812B 2020封裝led

?100nf電容器0603封裝

?10uf電容器1206封裝

?IP5306

?10 uH電感器

?指示燈LED 0805封裝

?USB Type-C接口

?按鈕6x6 SMD

?2歐姆1206封裝

?RP2040微型程序員

?3D打印外殼

三維模型

這個(gè)項(xiàng)目開始于Fusion 360。我們首先將WS2812B 2020封裝led的3D模型導(dǎo)入Fusion，以及SMD開關(guān)、USB Type-C端口、RP2040 Tiny和電池的CAD模型。

然后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)91 × 47 mm的PCB。板的上半部分專用于RGB LED，在那里我們使用圖案特征創(chuàng)建了一個(gè)14行乘20列的LED矩陣。在下方部分，我們按照Game boy風(fēng)格的布局放置SMD開關(guān)，其中的方向鍵由上、下、左、右按鈕組成，然后是a和B按鈕。

RP2040 Tiny被放置在PCB的背面。除此之外，我們還模擬了一個(gè)外殼，以將PCB牢固地固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，覆蓋包含電池的背面，并使設(shè)備舒適地持有。我們甚至在外殼的頂部添加了一個(gè)環(huán)，作為一個(gè)設(shè)計(jì)元素，它可以連接一個(gè)身份證帶，這樣設(shè)備就可以作為徽章佩戴或掛在某個(gè)地方。

在完成模型后，我們導(dǎo)出了外殼網(wǎng)格，并使用Hyper PLA在我的新Anycubic Kobra S1上進(jìn)行了3D打印，打印結(jié)果非常干凈。我已經(jīng)使用《末影3》很長(zhǎng)一段時(shí)間了，而這次升級(jí)正是我所需要的。

我們還導(dǎo)出了組件放置、板輪廓和總體布局參考的關(guān)鍵尺寸。這些尺寸后來(lái)在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中使用。

PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)過(guò)程從為項(xiàng)目準(zhǔn)備原理圖開始。在我們的案例中，我們以前使用過(guò)WS2812B 2020封裝led。由于尺寸小，這些led并不容易使用，但同樣緊湊的外形因素正是使它們成為基于矩陣的項(xiàng)目的理想選擇。

我們重用了先前8×8 Tiny Matrix項(xiàng)目中的原理圖作為起點(diǎn)。我們不再使用8×8布局，而是通過(guò)添加更多l(xiāng)ed將設(shè)計(jì)擴(kuò)展為14×20矩陣。

然后，我們?cè)赗P2040 Tiny板的原理圖中添加了另一部分，它連接到六個(gè)按鈕。所有按鈕都連接到GND和單獨(dú)的GPIO引腳。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，它將相應(yīng)的GPIO引腳拉低，微控制器將其注冊(cè)為按鈕按下。

我們使用了Waveshare的RP2040 Tiny，這是一款基于RP2040的SMD開發(fā)板，設(shè)計(jì)用于作為模塊直接安裝在PCB上，類似于ESP-12F或ESP32模塊。RP2040 Tiny的特點(diǎn)是有槽狀焊盤，這使得它可以焊接到PCB的背面，并干凈地集成到整體設(shè)計(jì)中。

對(duì)于電源，我們包含了我們?cè)谠S多以前的項(xiàng)目中使用的值得信賴的IP5306-a電源管理IC。它從3.7V鋰電池提供穩(wěn)定的5V輸出，并包括充電指示，低電量警告和高/低壓切斷等功能，這些都是鋰電池安全運(yùn)行所必需的。

NextPCB PCB服務(wù)

PCB設(shè)計(jì)完成后，將Gerber數(shù)據(jù)發(fā)送給HQ NextPCB，并訂購(gòu)了綠色白色絲印阻焊片;這次我們甚至還訂了一個(gè)模版。

下訂單后，PCB和模板都在一周內(nèi)收到，PCB質(zhì)量非常好。

另外，我要把HQDFM帶給你，它在很多項(xiàng)目中給了我很大的幫助。華秋的內(nèi)部工程師開發(fā)了免費(fèi)的制造設(shè)計(jì)軟件HQDFM，徹底改變了PCB設(shè)計(jì)師如何可視化和驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)。

利用NextPCB的加速器活動(dòng)，為您的創(chuàng)新項(xiàng)目獲得2個(gè)免費(fèi)組裝的基于rp2040的pcb。

此報(bào)價(jià)涵蓋所有費(fèi)用，包括物流，使您的想法更容易，更實(shí)惠的生活。SMT服務(wù)可能很昂貴，但NextPCB可以幫助您克服這一障礙。只要分享你的相關(guān)項(xiàng)目，他們就會(huì)處理好剩下的事情。不要錯(cuò)過(guò)這個(gè)提升你的科技創(chuàng)作的絕佳機(jī)會(huì)!

HQDFM：免費(fèi)在線Gerber查看器和DFM分析工具

此外，NextPCB有自己的Gerber Viewer和DFM分析軟件。

您的設(shè)計(jì)可以通過(guò)他們的HQDFM軟件(DFM)服務(wù)得到改進(jìn)。因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)等待制造商的DFM報(bào)告很煩人，所以HQDFM是執(zhí)行事件前自檢的最有效方法。

這是我在在線Gerber Viewer中看到的。這是一個(gè)體面的快速看，但不是完全清楚。要獲得完整的功能(例如pcb的詳細(xì)DFM分析)，您需要下載桌面軟件。網(wǎng)頁(yè)版本只提供基本的DFM報(bào)告。

具有全面的制造設(shè)計(jì)(DFM)分析功能，HQDFM是一個(gè)免費(fèi)的，復(fù)雜的在線PCB Gerber文件查看器。

憑借超過(guò)15年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，它為先進(jìn)的制造工藝提供了寶貴的見解。如果你正在尋找可靠的PCB服務(wù)，在一個(gè)預(yù)算友好的價(jià)格，HQ NextPCB絕對(duì)值得一試。

模板的過(guò)程

我們通過(guò)在PCB上涂錫膏開始電路組裝過(guò)程，但是有一個(gè)小問(wèn)題。在這個(gè)項(xiàng)目中使用的組件數(shù)量相當(dāng)大，這也意味著非常高的墊板數(shù)量。因此，使用錫膏點(diǎn)膠注射器是不切實(shí)際的。相反，我們使用了專門為這個(gè)電路制作的定制模板。

模板本質(zhì)上是一塊薄金屬片，上面有激光切割的槽和孔，與PCB上的組件焊盤相匹配。使用模板可以使焊膏均勻地涂抹在所有焊盤上。在大規(guī)模生產(chǎn)電路的工業(yè)環(huán)境中，模板通常用于此目的。

我們首先用額外的PCB板搭建了一個(gè)臨時(shí)的PCB板和模板架。這種設(shè)置有助于保持主PCB固定，并確保它在過(guò)程中不移動(dòng)。

在將模板開口與PCB組件焊盤對(duì)齊后，我們?cè)谀０迳贤可襄a膏，并用刮刀將其均勻地散布在插槽上。該工藝在每個(gè)元件焊盤上沉積了一層薄而均勻的焊膏，為元件的放置做準(zhǔn)備。

貼片元件貼片工藝

現(xiàn)在是另一個(gè)繁瑣的過(guò)程：SMD組件放置。這是繁瑣的，因?yàn)樵谶@個(gè)項(xiàng)目中使用了大量的led。我們總共使用了280個(gè)led以及其他幾個(gè)SMD組件，使整體組件數(shù)量超過(guò)300個(gè)。所有這些組件都必須手動(dòng)放置。

我們首先將100nf去耦電容器放置在指定位置。在取放過(guò)程中，我們使用了防靜電鑷子。

接下來(lái)，我們將所有280個(gè)SMD RGB LED放置在它們的襯墊上，確保每個(gè)LED的方向正確，因?yàn)椴徽_的方向會(huì)阻止LED工作。

在LED放置后，我們添加了剩余的SMD組件，其中包括SMD按鈕和所有與電源管理電路相關(guān)的部件。

一旦所有的組件被放置，整個(gè)板被小心地抬起，并放置在SMD回流熱板。熱板從下面加熱PCB到錫膏熔化溫度，大約是200°C。因此，所有的組件都被安全地焊接到它們的焊盤上。

測(cè)試SMD led

在我們將RP2040板放置在PCB背面之前，我們測(cè)試了led是否工作。如果led不工作，并且RP2040已經(jīng)安裝在PCB的背面，我們將無(wú)法使用熱板來(lái)糾正led。

我們?cè)赗P2040的5V、GND和GPIO0端子上增加了跳線。然后將這些跳線連接到XIAO SAMD21 M0開發(fā)板。

我們將下面的草圖上傳到XIAO上，它將鏈中的每個(gè)LED一個(gè)接一個(gè)地打開為綠色。這個(gè)草圖取自Adafruit NeoPixel庫(kù)的示例草圖。

RP2040組裝

在確認(rèn)led正常工作后，我們轉(zhuǎn)向RP2040組裝過(guò)程，首先將板翻轉(zhuǎn)，將2040 Tiny放置在其位置，然后用烙鐵焊接所有的焊盤和其castellated端子。

主要代碼

然后我們繼續(xù)將主固件閃爍到RP2040 Tiny上。使用隨附的FFC帶狀電纜和USB適配器板，在將微控制器連接到USB時(shí)按住BOOTSEL按鈕，將微控制器置于BOOTSEL模式。一旦檢測(cè)到，我們就把主代碼上傳到電路板上。

讓我們來(lái)分析一下我們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目準(zhǔn)備的代碼。

我們使用以下庫(kù)，使LED矩陣像一個(gè)微小的像素顯示器一樣工作。

Adafruit_NeoPixel

?Adafruit_GFX

?Adafruit_NeoMatrix

矩陣配置

游戲運(yùn)行在14×20 LED矩陣上，與經(jīng)典的俄羅斯方塊操場(chǎng)相匹配。

MATRIX_PIN是驅(qū)動(dòng)WS2812B數(shù)據(jù)線的GPIO。

本節(jié)定義：

?LED布局方向(左上原點(diǎn)，順行布線)

?顏色順序(GRB，標(biāo)準(zhǔn)為WS2812B)

?信號(hào)速度(800khz)

按鈕輸入

所有按鈕都使用INPUT_PULLUP，并且按下按鈕將引腳拉到LOW

定時(shí)和脫機(jī)控制

這些值控制正常下降速度以及快速下降時(shí)，保持速度按鈕

防止意外的快速移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。

游戲網(wǎng)格與狀態(tài)

這部分代表比賽場(chǎng)地;0是空單元格，1是已占用的單元格。

這將跟蹤當(dāng)前棋子的位置、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)(0-3)以及哪個(gè)方塊處于活動(dòng)狀態(tài)。

《Tetromino》定義(游戲核心)

共有7件(I， O， T， S， Z， J， L);每一塊可以旋轉(zhuǎn)4次，每次旋轉(zhuǎn)是一個(gè)4×4矩陣。

碰撞檢測(cè)

bool canPlace(int x, int y, int piece, int rot)

這個(gè)函數(shù)檢查該塊是否在矩陣邊界內(nèi)，以及它是否與已經(jīng)放置的塊重疊。

如果任何塊發(fā)生碰撞，則拒絕放置。

將一個(gè)部件鎖定到網(wǎng)格中

當(dāng)一個(gè)棋子不能再下落時(shí)，它的像素被復(fù)制到網(wǎng)格中，棋子就成為場(chǎng)地的一部分。

Line-clearing邏輯

該函數(shù)掃描每一行，如果一行被完全填充，則上面的所有行都向下移動(dòng)，并清除最上面的行。

生成新的碎片和游戲結(jié)束

這個(gè)函數(shù)隨機(jī)選擇一個(gè)新的四音，它從頂部中心開始。如果不能立即放進(jìn)去，游戲就結(jié)束了。

當(dāng)游戲結(jié)束時(shí)，屏幕變成紅色，網(wǎng)格被清除，游戲重新開始。

渲染游戲

這個(gè)函數(shù)很重要;它清除屏幕并以綠色繪制鎖定塊。積極下落的碎片用藍(lán)色繪制。

在設(shè)置函數(shù)中，初始化LED矩陣，設(shè)置亮度，配置按鈕引腳，播種隨機(jī)數(shù)生成器，并衍生第一個(gè)四元。

loop()函數(shù)處理移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和速度控制的按鈕輸入，使用計(jì)時(shí)器管理基于重力的下落，執(zhí)行碰撞檢測(cè)，鎖定片段，清除已完成的線條，并每幀重新繪制屏幕。

通孔組件放置工藝

在測(cè)試完代碼后，我們安裝了最后一個(gè)通孔組件：USB Type-C端口。

我們使用的是只有電源的Type-C連接器，只有正極和負(fù)極端子，沒(méi)有數(shù)據(jù)引腳。連接器從PCB的頂部放置，并使用烙鐵從底部焊接。

這一步完成后，電路板組裝就完成了。

電源

為了給項(xiàng)目供電，我們使用了一個(gè)3.7 V 650 mAh的LiPo電池，其正負(fù)端焊接到PCB背面提供的電池連接器上。

按一次電源按鈕使電路打開，而按兩次電源按鈕則使系統(tǒng)關(guān)閉。

由于我們使用IP5306電源管理IC，板載狀態(tài)LED提供視覺(jué)反饋-充電時(shí)閃爍，電池充滿時(shí)保持固態(tài)，當(dāng)電池電壓降至低水平時(shí)再次閃爍。

外殼組裝

我們首先將主電路放置在3d打印外殼上，然后使用四個(gè)M2.5 Torx螺栓將外殼與PCB固定。在背面，我們給出了一個(gè)窗口或插槽，允許用戶訪問(wèn)FPC連接器以重新編程RP2040 Tiny。

結(jié)果

這是這個(gè)小而乏味的構(gòu)建的最終結(jié)果：一個(gè)運(yùn)行自定義版本《俄羅斯方塊》的基于RGB矩陣的手持游戲機(jī)。我們從零開始創(chuàng)建了LED矩陣板，并將其與基于rp2040的微控制器和板載電源電路配對(duì)，以制作真正的便攜式手持設(shè)備。

目前，這個(gè)設(shè)置工作得很完美。我們可以使用左右鍵來(lái)控制四重奏的形狀，使用旋轉(zhuǎn)鍵來(lái)旋轉(zhuǎn)形狀，甚至可以加速下落的方塊。

機(jī)載LiPo電池提供大約4小時(shí)的電池備份，這是相當(dāng)不錯(cuò)的。這種運(yùn)行時(shí)間可以通過(guò)降低led的亮度進(jìn)一步延長(zhǎng)，從而降低總體電流消耗。

這個(gè)游戲機(jī)也可以用于未來(lái)的想法。雖然目前的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的是自制版本的《俄羅斯方塊》，但同樣的硬件以后可以用于其他游戲，作為交互式徽章，或作為文本和簡(jiǎn)單圖形的通用LED矩陣顯示器。

本文編譯自hackster.io