超详细教程！自制一个Arduino NES（红白机）游戏机！

目前大多数NES模拟器需要使用某种C编译器（例如esp-idf）手动进行命令行构建，这对于初学者来说是一个很大的障碍。

这周就和大家分享如何使用Arduino IDE做一个便携式NES（红白机）游戏机。

NES游戏机是一款由任天堂公司于1985年发布的家用电子游戏机。NES是“Nintendo Entertainment System”的缩写，也被称为“红白机”。该游戏机在1980年代和1990年代风靡全球，并为游戏业界的发展做出了重要贡献。

NES游戏机使用卡带作为游戏载体，玩家可以通过插入卡带来运行各种游戏。该游戏机的手柄设计也非常经典，包括方向键、A、B两个按钮和选择、开始两个功能键。

许多经典游戏如《超级马里奥兄弟》、《塞尔达传说》、《龙与地下城》、《银河战士》等都是在NES游戏机上首次发布的。即使在今天，许多玩家仍然喜欢玩NES游戏机上的经典游戏，而该游戏机的影响力也一直延续至今。

材料清单

• 4.0 英寸 ST7796S SPI LCD 模块

• 四个 400 孔面包板

• TTGO T8 v1.7 ESP32 开发板

• MAX98357 I2S 放大器模块

• PCB安装迷你喇叭

• PSP模拟摇杆模块

• 六个按钮模块

步骤1：Nofrendo是什么？

Nofrendo是一个很好的NES模拟器，它可以在较老的奔腾系统上全速运行，具有不错的声音支持和良好的兼容性。

Nofrendo是由Matthew Conte在上个世纪开发的，它可以在Windows、Unix和BeOS上运行。由于实现已经泛化以支持不同的平台，许多开发人员开始基于它开发其他平台的NES模拟器。

参考资料：

http://www.baisoku.org

https://www.zophar.net/nes/nofrendo.html

https://github.com/adafruit/nofrendo_arcada

https://github.com/espressif/esp32-nesemu

步骤2：Arduino-nofrendo

Github用户rickyzhang82在2018年将Nofrendo原始源代码推送到Github。我已经fork了该仓库，并将其转换为兼容Arduino库的布局。只需实现osd.h中声明的所有函数即可使其工作。

理论上，如果有足够的RAM和处理能力，这个库可以在任何Arduino平台上使用。由于Espressif已经证明ESP32可以运行Nofrendo，所以我基于他们的示例代码，在examples文件夹下开发了一个esp32-nofrendo示例。

参考资料：

https://github.com/rickyzhang82/nofrendo

https://github.com/moononournation/arduino-nofrendo

步骤3：显示选项

为了支持尽可能多的显示变化，我将显示实现更改为使用Arduino_GFX。现在甚至支持像ST7796这样的大型4英寸320x480显示屏。

以下是Arduino_GFX支持的可以适用于Nofrendo分辨率的显示变化：

• HX8347C 240 x 320
• HX8347D 240 x 320
• HX8352C 240 x 400 (16:9)
• HX8357B 320 x 480
• ILI9341 240 x 320
• ILI9481 320 x 480 18位色彩
• ILI9486 320 x 480 18位色彩
• ILI9488 320 x480 18位色彩
• M5Stack 240 x 320
• R61529 320 x 480
• ST7789 240 x 320
• ST7789 240 x 240
• ST7796 320 x 480

注意：

320 x 480显示需要将原始256 x 240分辨率裁剪为240 x 214，然后放大到480 x 320。

宽度放大两倍，高度放大1.5倍，每2个原始线条绘制3条线。第三条线可以重复第二条线，也可以简单地保留第三条线的背景色。

详细实现可在display.cpp中找到。

步骤4：音频选项

目前arduino-nofrendo支持（实际上是arduino-esp32支持）2种音频输出方法：

• 内置DAC - ESP32具有两个8位DAC（数字模拟转换器）通道，分别连接到GPIO25（通道1）和GPIO26（通道2），由于输出非常弱，因此仍需要额外的音频放大器用于扬声器输出。
• 外部I2S DAC模块 - 只需连接3个信号线和电源到I2S放大器模块，它可以在同一个模块中完成DAC和音频放大器的工作。

注意：

内置DAC仅具有8位分辨率，并且存在过多的静态噪声（杂音），通过使用外部的 I2S 放大模块可以降低这种静态噪声的影响（因为外部模块可以提供更好的信噪比和动态范围。）

步骤5：控制器选项

目前arduino-nofrendo支持3种类型的控制器：

• GPIO输入 - 简单地将每个控制器按钮映射到一个GPIO，箭头键也有一个选项映射到一个二轴模拟摇杆
• I2C M5Stack CardKB 迷你键盘 https://m5stack.com/products/cardkb-mini-keyboard
• I2C BBQ10键盘 https://github.com/arturo182/BBQ10KBD

即将支持：

• 更多I2C设备，例如I2C游戏手柄
• 蓝牙设备，例如蓝牙游戏手柄和蓝牙键盘

注意：

默认的arduino-esp32 I2C接口连接到GPIO 21（SDA）和22（SCL）。

步骤6：文件系统选项

Nofrendo在文件系统中存储3种类型的文件：

• ROM文件*.nes - 游戏
• 游戏存档文件*.sav - 当你在游戏中保存时，数据备份到此文件
• 状态文件*.ss[0-9] - 当你使用Nofrendo保存状态功能时，数据存储在这些文件中

目前arduino-nofrendo支持（实际上是arduino-esp32支持）3种类型的文件系统：

• SPIFFS - 通常是ESP32闪存的最后一个分区
• SD - Arduino标准SPI模式SD卡接口
• SD_MMC - 原生1位或4位SD模式SD卡接口

注意：

选SPIFFS测试是最简单的方法，但在SPIFFS中备份存档和状态文件比较困难，SD或SD_MMC更适合长期使用。另外，如上面视频演示，你可以将SD卡当作游戏卡，只需更换SD卡即可更换游戏。

步骤7：软件准备

Arduino IDE

如果你尚未安装Arduino IDE，请下载并安装：

https://www.arduino.cc/en/main/software

ESP32支持

按照安装说明添加ESP32支持，如果尚未安装：

https://github.com/espressif/arduino-esp32

注意：请使用arduino-esp32版本1.0.6进行此项目，较新版本可能无法成功编译

Arduino ESP32 filesystem uploader

按照安装步骤安装Arduino ESP32 filesystem uploader，如果没有安装的话：

https://github.com/me-no-dev/arduino-esp32fs-plugin

Arduino_GFX库

下载最新的Arduino_GFX库：（点“Clone or Download”->“Download ZIP”）

https://github.com/moononournation/Arduino_GFX

在Arduino IDE中导入库。（Arduino IDE“项目”菜单->“包含库”->“添加.ZIP库”->选择下载的ZIP文件）

Arduino Nofrendo库

下载最新的Arduino Nofrendo库：（点“Clone or Download”->“Download ZIP”）

https://github.com/moononournation/arduino-nofrendo

同样在Arduino IDE中导入库。（Arduino IDE“项目”菜单->“包含库”->“添加.ZIP库”->选择下载的ZIP文件）

步骤8：面包板原型

在制作你自己的便携式Arduino NES控制台最终版本之前，让我们先用面包板原型进行一个PoC（概念验证）。

步骤9：面包板改造

4寸LCD是一个比较大的尺寸，我们需要把四个400孔面包板组合在一起。不过，8个电源总线太多了，我们去掉其中的6个，只保留2个就足够了。

步骤10：TTGO T8 V1.7改造

将四个400孔面包板组合在一起可以放下4寸LCD，但仍然没有足够的剩余空间来放一块ESP32开发板。因此，我们需要将ESP32开发板的一部分隐藏在LCD下方。同时，将线路也隐藏在LCD下方使其更整洁。

但我发现TTGO T8 V1.7的3D天线无法放LCD下方。由于NES控制台不需要互联网接入，我就直接把它拆了……

注意：

• 以后仍然可以通过IPEX连接器将WiFi信号引导到外部天线
• 蓝牙设备连接也需要天线

步骤11：LCD改造

• 焊接SD引脚接头
• 可选操作：重新焊接所有LCD引脚，使引脚稍微伸长到面包板
• 插入额外的塑料隔离片，在面包板和LCD之间预留更多空间

步骤12：固定模拟摇杆

带有引脚的模拟摇杆一侧可以非常好地固定在面包板上，但另一侧需要一些额外的引脚才能固定在面包板上。

步骤13：I2S放大器模块改造

I2S放大器模块的扬声器连接器不是2.54毫米间距（面包板孔的间距大小），需要稍微弯曲引脚接头以方便焊接。

步骤14：布局设计

在实际的面包板布线之前，我们首先先设计所有组件的布局，并仔细检查所有组件的位置是否与LCD冲突。

步骤15：引脚映射设计

这一步是可选的，只是为了使线路更加整洁（由于所有的线路都隐藏在LCD后面，这并不是必要的）。

大多数ESP32接口可以重新映射到任何GPIO引脚，除了SD_MMC。由于TTGO T8 v1.7已经内置了与SD_MMC接口连接的SD卡插槽，我想重用那些引脚连接到LCD SD卡插槽。

我在开发板下方使用了一些面包板线将一些GPIO重定向到其他面包板条，让整个布局看起来更加整洁：

• 模拟摇杆引脚GPIO 34和35至左下角

• SD_MMC引脚GPIO 13、15、2和14至右上角

• 开始和选择按钮引脚GPIO 26和27至右下角

• 3v3连接至2个电源条

• GND连接至电源条

• 模拟摇杆引脚 GPIO 34 和 35 连接到左下方

• SD_MMC 引脚 GPIO 13、15、2 和 14 连接到右上角

• 开始和选择按钮引脚 GPIO 26 和 27 连接到右下角

• 3v3 连接到两个电源插头

• GND 连接到电源插头

注意：

SPI显示器通常需要连接7个GPIO引脚，它们是CS、RESET、D/C、SCK、MOSI、MISO和LED。为了把GPIO的使用次数减少到3次，进行了一些安排：

• CS接地，表示始终使能
• 复位连接到ESP32复位，LCD在ESP32复位时复位
• MISO不连接，无需从LCD读取数据
• LED连接至VCC，LCD背光始终100%开启

步骤16：面包板布线

以下是连接汇总：

ESP32
VCC -> LCD VCC & LED, I2S放大器模块VCC，摇杆VCC
GND -> LCD GND & CS, I2S放大器模块GND，摇杆GND，所有按钮GND
RST -> LCD RST
GPIO 34 -> 摇杆上下模拟
GPIO 35 -> 摇杆左右模拟
GPIO 32 -> LCD D/C
GPIO 33 -> LCD MOSI
GPIO 25 -> LCD SCK
GPIO 26 -> 按钮开始
GPIO 27 -> 按钮选择
GPIO 23 -> 按钮X
GPIO 18 -> 按钮Y
GPIO 5 -> 按钮A
GPIO 4 -> 按钮B
GPIO 14 -> SD SCK
GPIO 13 -> SD CS
GPIO 15 -> SD MOSI
GPIO 2 -> SD MISO
GPIO 22 -> I2S放大器模块BCLK
GPIO 21 -> I2S放大器模块WCLK（或称LRC）
GPIO 19 -> I2S放大器模块DOUT（或称DIN）
I2S放大器模块GAIN -> 100欧姆电阻 -> GND（可选15 dB增益）
I2S放大器模块+ve -> 扬声器+ve
I2S放大器模块-ve -> 扬声器-ve

步骤17：可选电池

TTGO T8 v1.7开发板内置了锂电池充电和稳压电路。连接一个锂电池可以让游戏机变得更便携式，但对于原型设计来说并不是必要的。

面包板背后有一个很大的平面，可以放置一个非常大的锂电池。

步骤18：程序

操作步骤如下：

• 连接设备的 USB 线
• 打开 Arduino IDE
• 打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino--nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
• 检查 hw_config.h 和 display.cpp 中的配置参数，默认参数已设置为此面包板的
• 按下 Arduino IDE 的 "上传" 按钮

注意：

有时需要拆卸 SD 卡才能成功上传。

步骤19：ROM

如果你手头没有任何 NES rom 文件，可以在网上找到许多自制的 NES rom，例如：

http://www.nesworld.com/article.php?system=nes&data=neshomebrew

我已经在“最佳自制任天堂娱乐系统游戏^[1]”中选择了一个名为“Chase”的简单游戏，用于esp32-nofrendo示例。

注意：

还推荐一个名为 "BLADE BUSTER" 的自制射击游戏，但是 rom 大小不能适用于没有 PSRAM 的开发板。（nofrendo 需要将 rom 文件加载到内存中）

步骤20：上传 ROM 文件

默认的 hw_config.h 参数设置为使用 SD 文件系统，只需将 ROM 文件*.nes复制到 SD 卡中并插入即可使其正常工作。

如果更改为使用 SPIFFS 文件系统，则 esp32-nofrendo 示例已经在 data 文件夹中包含了一个 "Chase.nes" ROM 文件。

只需在 Arduino IDE 中选择 "工具" 菜单 -> "ESP32 Sketch Data Upload" 将 ROM 文件上传到 ESP32 SPIFFS。

你也可以将 ROM 文件复制到数据文件并上传。

注意：

此时，esp32-nofrendo 示例将找到第一个 *.nes 文件并加载它。

步骤21：状态保存和加载

状态保存和加载，也称为无限恢复，是一种简单的作弊技巧，可以帮助你更轻松地玩游戏。

NES没有X和Y按钮，我们要把它们用作状态保存和加载的按钮。

注意：

Nofrendo 设计了 10 个状态保存和加载插槽，目前 arduino-nofrendo 只能使用第一个插槽（插槽 0）。

步骤22：预制的 ESP32 控制台

目前市面上很少有预先构建为游戏机的ESP32开发设备，例如：

• TTGO T-Watch + Game 模块
• ODROID-GO
• M5Stack + M5Stack CardKB

步骤23：TTGO T-Watch + Game 模块

• 打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
• 选择 "TTGO T-Watch"（"工具" -> "板子" -> "TTGO T-Watch"） 按下上传按钮
• 上传数据（"工具" -> "ESP32 Sketch Data Upload"）

参考：

https://t-watch-document-en.readthedocs.io/en/latest/introduction/index.html

步骤24：ODROID-GO

• 打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
• 选择 "ODROID ESP32"（"工具" -> "板子" -> "ODROID ESP32"）
• 按下上传按钮

参考：

https://www.hardkernel.com/shop/odroid-go/

步骤25：M5Stack + M5Stack CardKB

• 打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）

• 选择 "M5Stack-Core-ESP32"（"工具" -> "板子" -> "M5Stack-Core-ESP32"）

• 按下上传按钮

注意：

CardKB 一次只能读取一个按键被按下的信息，适合玩某些特定的游戏。

参考：

https://m5stack.com/collections/m5-core

https://m5stack.com/products/cardkb-mini-keyboard

步骤26：开始享受游戏

Arduino IDE 是一个非常易于使用的平台。esp32-nofrendo 示例只是一个起点，你可以在其上添加更多的功能，例如：

• 触摸屏 UI
• 像 RetroPie 一样的带艺术图像的游戏选择 UI
• 玩游戏时进行存档
• 状态插槽选择
• 带存档的状态保存
• 状态浏览和加载 UI，带有存档预览
• 音量设置
• LCD 背光设置

赶快动手做一个你自己的 Arduino NES 吧！

参考资料