【KiCad】Made with KiCad 不要电池的Game Boy

sunsili

【KiCad】Made with KiCad 不要电池的Game Boy

“ 介绍一个非常有意思的项目：Engage。这是一款太阳能和压电技术提供电源的 Game Boy 游戏机，无需电池。”

概览无电池设备可以打电话、用于机器学习，甚至眼球追踪，但无电池的沉浸式交互体验迄今尚未得到探索。在本项目中，我们重点关注无电池设备生态系统中这一被忽视的部分。我们将探索以用户为中心的应用：实现无电池的游戏机。无电池游戏机最大的问题是电源不稳定导致系统关机：

仅利用能量收集的方式为小型嵌入式系统供电会导致频繁断电，从而导致应用程序不断重启。让我们看一下上图，它象征性地表示了俄罗斯方块游戏在一个由能量收集（波动）供电的无电池平台上的执行情况。在没有任何断电保护措施的情况下，游戏将一直运行到能量耗尽（即第 185 行），然后重新启动。间歇计算技术可以避免这种不必要的行为：断电后，第 186 行将从断电前的系统状态开始执行。这样，游戏状态将在因断电而结束游戏的确切位置恢复（换句话说，当游戏重新开始时，进度将不会丢失）。

系统设计

我们设计了一个任天堂 Game Boy模拟器，并将其称为 “能量感知游戏（ENGAGE）” 平台，以证明仅靠（间歇性提供的）能量采集来驱动交互系统是可行的。ENGAGE 由四个关键部分组成：

• 游戏模拟：使用模拟器来玩（Game Boy）复古游戏，类似经典 Game Boy 平台的感觉；
• 内核：将最小的游戏状态存储到专用的非易失性存储器中，以防止断电后重新启动，从而实现连续游戏；
• 能源：通过游戏操作（按键）和环境太阳能为无电池游戏机供电，并将这些能量储存在一个小型电容器中；
• 硬件：利用领先的低功耗 32 位 ARM Cortex M4 微控制器和外部 FRAM 实现游戏状态存储。
  

硬件

ENGAGE PCB 板如上图所示（左侧：正面，右侧：背面：背面），主要器件有：

• Ambiq Apollo3 Blue ARM Cortex-M4 MCU
• Fujitsu MB85RS4MT 512 KB FRAM
• ZF AFIG-0007 能量收集开关
• Semiconductor Components Industries NSR1030QMUTWG 低正向电压二极管桥、
• 微型 USB 调试端口
• 显示器连接器
• 太阳能电池板连接器
• 游戏卡接口
• 德州仪器公司 BQ25570 能量收集器/电源管理器
• 德州仪器公司 TPS61099 升压转换器。
  
  

ENGAGE 的具体内部结构如下：

微控制器：ENGAGE 基于 ARM MCU 架构，不同于通常用于间歇计算系统的德州仪器 MSP430 FRAM 系列微控制器。具体来说，我们使用的是 Ambiq Apollo3 Blue ARM Cortex-M4（工作频率为 96 MHz），其能效在同类产品中名列前茅。Apollo3 MCU（上图中标记为 (A)）运行 Game Boy 模拟器和检查点（保存点）软件。

存储器：快速、字节可寻址、非易失性存储器对于在断电情况下保存和恢复 ENGAGE 状态（即游戏状态）至关重要。为此，我们为 ENGAGE 配备了一个外部专用 FRAM IC：富士通 MB85RS4MT 512 KB FRAM，在上图中标记为 (B)，通过 SPI 与 MCU 连接，为检查点提供快速（足够）和持久的非易失性存储方法。

能量收集：我们从两个来源提取能量：

(i) 按钮按压，使用六个现成的机械式 ZF AFIG-0007 能量收集开关--四个开关位于 D-pad 上，每个 "A "和 "B "按钮一个开关（见上图 (C)）；

(ii) 一套松下 AM-1417CA 非晶硅太阳能电池，安装在 Game Boy 机壳前部。太阳能电池板由德州仪器公司的 BQ25570 管理。收集的能量储存在一个 3.3 mF 的电容器中。

游戏卡带：为了能够读取 Game Boy 游戏卡带，ENGAGE 平台 PCB 电路板背面安装了一个盒式磁带连接器（上图中标记为 (H)）。卡带通过 Semtech SX1503 I/O 扩展器与 MCU 连接。该扩展器将 3V 系统电压转换为游戏卡带所需的 5V 电压。

显示屏：我们很难找到一款功耗合理、刷新率合适、外部驱动电路最少的大型显示器。由于电子墨水显示屏刷新速度慢，驱动电路复杂，我们很快就放弃了使用。取而代之的是 26.02 × 27.82 毫米的日本显示器 LPM013M126A 液晶显示屏。该显示屏比原来的 Game Boy 屏幕（47 × 43 毫米）小，但分辨率却比原来的 160 × 144 像素矩阵高出 176 × 176 像素。

检查点（存储点）

ENGAGE 的核心软件组件是名为 MPatch 的检查点库，该库位于 software/libs/mpatch 文件夹中。关于 MPatch 的更多描述将在另一份文件中提供。

https://github.com/Twisted-Fields

原理图 & PCB主板：

Appollo-3 模块（MCU 及 FRAM）

License

MIT

仓库 & 下载

可以在Github中获取开源仓库：

https://github.com/TUDSSL/ENGAGE