可能是目前最顶配的DIY树莓派游戏掌机：复古ComputeModule 3

*项目作者：DeanChu

*资料来源：instructables

年前闲的无聊，看到了一些国外玩家做的基于树莓派和Retropie的游戏机，我也跟风做了一个用树莓派0（Raspberry Zero）的游戏机。

然而我发现了一些问题，树莓派0只有单核的Cortex-A7和512M的ram，跑跑一般的游戏模拟器还行，跑个PS或者N64着实卡的不行，甚至一些GBA游戏也会偶尔掉帧，受不了。

而且我发现大部分都用SPI屏幕，受限于SPI接口速率，一般的刷新速率和分辨率都不会太高，游戏体验一般般。所以我就用树莓派的计算模块3又做了一版，算是感觉还可以。

最终的游戏机尺寸为152x64x18mm，电池规格2000mAh。

步骤一：材料

材料清单：

• 树莓派ComputeModule 3

• 3.2英寸液晶显示器与rgb/dpi接口

• 一个16GB TF卡

• 开关

• 电池

• 连接器

• 电阻等元件

• 一个定制的PCB

• 3d打印机

我自己有一台3D打印机，所以外壳仅花费了64克PLA材料。这个具体教程我已经发到了国外的Instructables上了，大家可以看原版：https://www.instructables.com/id/Retro-CM3-a-Powerful-RetroPie-Handled-GAME-Console/

这个机器能运行绝大多数的模拟器，要说额外能跑的，PS1、N64和部分PSP游戏基本能流畅运行，偶尔会有轻微掉帧，但是基本游戏体验是可以保证的。

这篇内容描述的是基于CM3的最初版本，现在已经到了第4版，还在优化中。

这个最初版的问题主要有3点：

1）屏幕分辨率是480x800，大部分游戏都有黑边（但是适合跑PSP游戏，新版改成了480x320，但是屏幕素质稍微差一点，而且gamma值供应商没给参考设置，正在调试中）；

2）电源逻辑稍微有点混乱，支持边玩边充电，但是拔下充电器的时候会一瞬间切断主电源（充电芯片单电感充升方案的锅）；

3）音质一般般，用的是树莓派3的PWM模拟声音输出，音质一般（新版改成了I2S接口的声卡芯片，调试中）。

最初版的PCB和对应的一些文件我都开源给出了，有兴趣的可以继续调下去，最新版的等我调试完成之后也会给大家一起分享。这些文件还请勿用于商业用途，推荐小范围组团拼板，但请保留我贴在板子Top Solder层的LOGO。

步骤二：树莓派CM3

对于制作一些小玩意，树莓派ComputeModule 3作为核心板非常强大。
这个模块使用了DDR2 SODIMM型号的连接器，不是很易用，但是却引出了芯片的所有BANK0和BANK1的引脚。

为了使用compute module，我们需要提供几个不同的电压：1.8V、3.3V、2.5V和5V。其中，1.8V和3.3V用于启动一些外部设备，每个大约350mA。2.5V的电源线用于驱动TV-out DAC，同时由于我们不需要TV-out的特性，电源线还可以接到3.3V上。5V的接到VBAT引脚上，为内核供电。VBAT接受的输入电压从2.5V-5V，但是确保供电输出能够到提供至少3.5W。因为我们用的是3.3V的CMOS电平，VCCIO引脚 (GPIO_XX-XX_VREF)可以被连到3.3V上。

在这儿所有的HDMI、DSI、CAM引脚都先不用，保持浮空。记得把EMMC_DISABLE_N引脚连到3.3V上，因为我们用TF卡作为硬盘。
接着，把SDX_XXX连接到TF卡槽相应的引脚上，不需要上下拉电阻。
用5V、3.3V、1.8V递减的顺序上电，系统应该可以启动起来。但是由于没有输出设备，我们无法知道是否运行良好。因此，在接下来的一步中，我们需要添加一个显示器来检测。

在继续之前，我们首先需要告诉Pi每一个GPIO的功能是什么。最后的压缩包里有这些文件，在一个新刷Retropie的TF卡的启动文件夹中加入 "dt-blob.bin","bcm2710-rpi-cm3.dtb" 和 "config.txt"。然后，在/boot/overlay文件夹中输入"dcdpi.dtbo"。dt-blob.bin定义了每个GPIO的默认功能。由于需要GPIO14/15与LCD模块连接，我把GPIO14/15改成了常规GPIO，把UART0功能移到了GPIO32/33。同时，我让Pi使用GPIO40/41作为pwm功能，让它们成为左右声音输出。dcdpi.dtbo是一个设备树文件，它告诉Pi我们将会使用GPIO0-25作为DPI功能。最后，我们编辑"dtoverly=dcdpi"让Pi加载我们提供的文件。（所有文件在boot.zip文件解压后都在，按照文件夹放好了）

这时候，树莓派已经完全理解每个GPIO该用哪个功能了，可以进行下一步了。

步骤三：连接LCD模块

由于本游戏机中会使用不同DPI/RGB连接的LCD模块，在这里我使用了我自己的模块为例。如果你用的跟我不一样，需要检查你的模块的引脚定义，然后如示例中展示的一样根据引脚名称连接起来。

在LCD模块上有两个接口：SPI和DPI。SPI用于配置LCD驱动电路板的初始设置，我们可以把他们跟任意一个不用的GPIO连接起来。只连接重置、CS、MOSI（SDA/SDI）和SCLK(SCL)引脚，MISO(SDO)引脚是不需要用的。为了初始化LCD驱动，我们用了BCM2835 C Library来驱动GPIO，输出是一个特定的由模块供应商提供的初始化序列。

按照说明书可以在另一个树莓派3中安装BCM2835 C Library。使用指令"gcc-o lcd_init lcd_init.c -lbcm2835"编辑源文件，然后把编译好的文件放到你准备的TF卡的/home/pi文件夹下。在卡里的文件/etc/rc.local的“exit 0”之前新添加一行："/home/pi/lcd_init"（假设你已经把编译程序放到/home/pi文件夹下了）。这里要强调的是，这个源文件只被用于我使用的特定模块，对于不同的LCD模块，需要问卖家要初始化序列然后相应修改源文件。这道程序很麻烦，因为此时屏幕上什么也不会显示，因此我强烈建议你用RPO-CMIO板完成，毕竟它导出全部的GPIO，你可以用uart或wlan来调试。

剩下的步骤很简单，只需要连接LCD模块的引脚。大家可以根据自己的LCD模块种类来灵活选择RGB模式，我选择了DPI_OUTPUT_FORMAT_18BIT_666_CFG2(模式 6)。根据自己的选择来更改"dpi_output_format=0x078206"这行，需要注意的是各个信号的极性，特别是时钟PCLK。然后，如果你的LCD模块使用了不同的分辨率，需要调整"hdmi_timings=4800 41 60 20 800 0 5 10 10 0 0 0 60 0 32000000"，具体参照这里。
如果所有的设置都正确，下一次启动Pi的时候，在30-40秒的黑屏（从电源到系统加载SPI初始化脚本）之后就会看到屏幕上的显示了。

步骤四：按键和音频

一个游戏机需要一些按键。在这我们需要10个 ALPS SKPDACD010开关作为上下左右、LR和A/B/X/Y按键。其他的按钮像开始/选择和音量键用的是常规的6x6表贴按钮。
有两种方式连接树莓派到这些按键——一是直接连接按键到Pi上的GPIO，二是把按键连接到一个MCU上，再通过USB HID协议连接到Pi上。我选择第二方案，因为我本来就需要MCU来解决上电时序，所以不妨用他顺便完成这些功能。
因此，我们要把按键连接到STM32F103C8T6，再把MCU连接到Pi的USB上。在后面我提供了一个MCU程序的示例。你可以在hw_config.c里更改引脚定义，也可以参照MCU的USB library进行编译。或者如果你跟我用的相同的引脚定义，你可以直接在文末的下载到hex文件。

至于音频输出，树莓派3B官方的原型图给出了一种很好的过滤pwm波的方法，并且该电路在我们这可以完美运行。需要指出的是，切记在config.txt文件末尾添加 "audio_pwm_mode=2" 线，以便降低音频输出的噪音。
为了启动扬声器，我们需要一个扬声器驱动。我选择的是TDA2822配了官方的BTL电路。注意，听筒插孔PJ-327在右侧输出上有一个自动分离引脚，当没有耳机插入时，引脚3连在右声道上。一旦耳机插入，引脚便从右声道分离。这个引脚可以作为扬声器输入引脚，耳机插入时扬声器便可以静音了。
（不贴图了，直接看后面的原理图吧）

步骤五：电源

下面进入电源部分，我们来看看详细的电源设计。
电源分三个部分：单片机、充电器/升压器和DC-DC Bucks.

单片机供电从其他种类的电源里分出来是因为我们需要它来呈现pre-powerup效果。当电源按钮按下时，PMOS会把LDO上的EN引脚连接到电池上，从而启动LDO。单片机也就启动了（持续按着按键）。单片机启动时，它会检查电源键是否按得足够长时间。大约两秒之后如果单片机检测到电源按钮仍然是按下的，它会拉起 "PWR_CTL" 引脚来保持PMOS开着。此时，单片机开始控制单片机的供电。
当电源键再次被按下2秒时，单片机将会逐渐切断各个电源。最终，单片机释放"PWR_CTL"引脚使PMOS关掉，单片机也就断电了。
充电器/升压器部分使用IP5306电路。该电路是2.4A充电、2.1A断电并且充分整合移动电源的Soc用量，完全满足我们的需求。这个电路可以给电源充电，提供的是5V输出同时有4个LED电量指示灯。
DC-DCBuck 部分用了两个高效率SY8113 3Abuck.输出电压可以由两个电阻调节。为了保证上电时序，我们首先需要让单片机启动升压器。KEY_IP信号会给按键引脚IP5306一个模拟按键响应来启动内部5V的升压器。之后，单片机会通过拉高RASP_EN引脚启动3.3V buck。有了3.3V电压之后，1.8V buck的EN引脚被拉高，输出1.8V电压。
至于电池，两个1000mAhLi-ion batter对这个游戏机来说足够了。电池的常规规格的是大约50*34*5mm。

步骤六：设置TF卡

首先，你需要下载并在一个新的TF卡里刷入RetroPie镜像。教程和下载可以在Retropie官网找到。下载树莓派2/3版本。在刷入镜像之后，你将会看到两个分区：一个FAT16格式的“boot”分区和一个EXT4格式的“RetroPie”分区。
完成以上步骤后，不要立即把它插入树莓派，我们还需要为ROMS添加FAT32分区。使用DiskGenius等分区工具来调整EXT4分区到大约5-6GB大小，然后用TF卡剩下的全部空间做一个新的FAT32分区。

确保你的系统能够把TF卡读卡器识别成一个USB-HDD设备，然后你就能在浏览器中看到3个分区。其中的两个是可以访问的，windows会让你格式化剩下的那个。万万不要格式化！
首先，打开“boot”分区然后根据第2步设置引脚的配置。或者你可以在本步骤解压boot.zip，再复制全部的文件和文件夹到你的boot分区。记得也把编译后的lcd_init脚本复制到boot分区中。
到此我们已经准备好首次上电，但由于没有显示器，我强烈建议你用一个带有usb wlan设备的RPO-CMIO板。然后你可以配置wpa_supplicant文件然后启动ssh，可以去哔哩哔哩找视频教程。然而，如果你不想弄一个这玩意，GPIO32/33可以作为UART终端。把TX（GPIO32）和RX（GPIO33）引脚连接到usb-to-uart板上，调制终端波特频率到115200。总之，通过某种方式连接到树莓派的Termianl上。
在第一次启动时，在系统试图扩展分区时，系统会卡住。可以忽略它，按开始键（USB HID键盘的enter键）重启。在终端，复制 lcd_init 脚本到用户Pi的Home文件夹，然后按照步骤3设置自动开始。再一次重启之后，你可以看到屏幕亮了并且显示了内容。
这时，你的游戏机已经可以玩了。不过呢，为了在TF卡上加载rom和BIOS，每次你都需要终端连接。为了让这个简单一点，我建议你搞一个FAT32分区装游戏。
首先，备份/home/pi下的RetroPie文件夹到 RetroPie-bck: "cp -r RetroPie RetroPie-bck"。然后在/etc/fstab:"/dev/mmcblk0p3 /home/pi/RetroPie defaults,uid=1000,gid=1000 0 2"上添加新的一行，通过设置所有者为用户“pi”在RetroPie文件夹内自动挂在FAT32分区。重启之后，你会看到一个RetroPie文件夹的内容都没有了（如果还有，再次重启），屏幕上会显示一些错误。再把RetroPie-bck里的全部文件复制回RetroPie，然后再次重启。这时候错误会消失，你可以按照屏幕指示配置输入设备。
如果你想要添加rom或BIOS，在断电后拔出TF卡，然后把它连到电脑上。打开第三个分区（记住，忽略格式化提示），复制文件到相应的文件夹。

步骤七:3D打印的案例和按钮

用PLA来打印，20%的填充，0.2毫米的层，它足够坚固。

打印完成后，需要把它们组装在一起。

步骤八:其他配件制作

由于电路有点复杂，用PCB。整个原理图和我自己的PCB版本都在结尾处。最好能定制你自己的PCB，然后把你的PCB文件交给生产商制作，因为真的很难买到全部一样的元件。

在焊接并测试了PCB上的所有元件之后，首先要下载hex文件到单片机，再把LCD模块粘贴到PCB上。然后把FPC连接到连接器上，并插入CM3L和TF卡。先不要焊接电池，插一个USB电源然后启动。

检查所有按键和显示。测量BAT+和GND之间的电压是否在4.2V左右。如果电压没问题，拔掉usb电线然后焊上电池，试一下电源键。

把CROSS和ABXY键放在外壳正面，再把PCB板放入外壳并用三个螺钉固定住。在SKPDACD010按钮背后贴上双面胶，并把电池粘上。切记用厚双面胶，避免SKPDACD010的引脚戳坏电池。然后把扬声器黏在外壳底部。在合上外壳之前，你可能需要试一试所有的按键，检查它们是否运作或弹起良好。最后，用4个螺钉合上外壳。

FAQ：
1) 反复检查LCD模块与原理图和PCB的引脚连接。
2) 用 LCD信号线尽量做等长
3) 当你对供电部分不确定时，按上电时序焊接并测试每一个部分，从5V到3.3V到1.8V。在所有的供电部分都测试后，再焊接其余部分。
4) 若显示总是模糊不清，试着通过设置dpi_output_format来调整PCLK信号灯的极性。
5) 若显示偏移中心太多，试着调整HSYNC或VSYNC极性。
6) 若显示略微偏移中心，调整一下Overscan设置。
7) 若显示器黑屏，等待系统启动rc.local脚本。如果你需要从一开始就显示，试着把SPI界面和单片机连在一起，用单片机初始化LCD模块。
8) 若显示屏一直黑屏，再次检查初始化代码。
9) 有问题可以在下方提问或邮件联系作者：zhudi_bupt@163.com