本項目以使用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)來控制矩陣并處理所有游戲邏輯。

為了把所有的東西結合在一起，我們設計了一個定制的PCB，集成了14×20 LED矩陣、輸入按鈕和專用電源管理電路。整個系統(tǒng)由一個LiPo電池供電，板載電源管理IC負責電池的充電和放電。

本文介紹了該項目的完整構建過程;讓我們開始吧。

材料要求

本項目使用了以下材料：

?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

這個項目開始于Fusion 360。我們首先將WS2812B 2020封裝led的3D模型導入Fusion，以及SMD開關、USB Type-C端口、RP2040 Tiny和電池的CAD模型。

然后我們設計了一個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14行乘20列的LED矩陣。在下方部分，我們按照Game boy風格的布局放置SMD開關，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，我們還模擬了一個外殼，以將PCB牢固地固定在適當?shù)奈恢?，覆蓋包含電池的背面，并使設備舒適地持有。我們甚至在外殼的頂部添加了一個環(huán)，作為一個設計元素，它可以連接一個身份證帶，這樣設備就可以作為徽章佩戴或掛在某個地方。

在完成模型后，我們導出了外殼網格，并使用Hyper PLA在我的新Anycubic Kobra S1上進行了3D打印，打印結果非常干凈。我已經使用《末影3》很長一段時間了，而這次升級正是我所需要的。

我們還導出了組件放置、板輪廓和總體布局參考的關鍵尺寸。這些尺寸后來在PCB設計過程中使用。

PCB設計

PCB設計過程從為項目準備原理圖開始。在我們的案例中，我們以前使用過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目的理想選擇。

我們重用了先前8×8 Tiny Matrix項目中的原理圖作為起點。我們不再使用8×8布局，而是通過添加更多l(xiāng)ed將設計擴展為14×20矩陣。

然后，我們在RP2040 Tiny板的原理圖中添加了另一部分，它連接到六個按鈕。所有按鈕都連接到GND和單獨的GPIO引腳。當按鈕被按下時，它將相應的GPIO引腳拉低，微控制器將其注冊為按鈕按下。

我們使用了Waveshare的RP2040 Tiny，這是一款基于RP2040的SMD開發(fā)板，設計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計中。

對于電源，我們包含了我們在許多以前的項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行所必需的。

NextPCB PCB服務

PCB設計完成后，將Gerber數(shù)據發(fā)送給HQ NextPCB，并訂購了綠色白色絲印阻焊片;這次我們甚至還訂了一個模版。

下訂單后，PCB和模板都在一周內收到，PCB質量非常好。

另外，我要把HQDFM帶給你，它在很多項目中給了我很大的幫助。華秋的內部工程師開發(fā)了免費的制造設計軟件HQDFM，徹底改變了PCB設計師如何可視化和驗證他們的設計。

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HQDFM：免費在線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。

您的設計可以通過他們的HQDFM軟件(DFM)服務得到改進。因為我發(fā)現(xiàn)等待制造商的DFM報告很煩人，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DFM分析)，您需要下載桌面軟件。網頁版本只提供基本的DFM報告。

具有全面的制造設計(DFM)分析功能，HQDFM是一個免費的，復雜的在線PCB Gerber文件查看器。

憑借超過15年的行業(yè)經驗，它為先進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，在一個預算友好的價格，HQ NextPCB絕對值得一試。

模板的過程

我們通過在PCB上涂錫膏開始電路組裝過程，但是有一個小問題。在這個項目中使用的組件數(shù)量相當大，這也意味著非常高的墊板數(shù)量。因此，使用錫膏點膠注射器是不切實際的。相反，我們使用了專門為這個電路制作的定制模板。

模板本質上是一塊薄金屬片，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板搭建了一個臨時的PCB板和模板架。這種設置有助于保持主PCB固定，并確保它在過程中不移動。

在將模板開口與PCB組件焊盤對齊后，我們在模板上涂上錫膏，并用刮刀將其均勻地散布在插槽上。該工藝在每個元件焊盤上沉積了一層薄而均勻的焊膏，為元件的放置做準備。

貼片元件貼片工藝

現(xiàn)在是另一個繁瑣的過程：SMD組件放置。這是繁瑣的，因為在這個項目中使用了大量的led。我們總共使用了280個led以及其他幾個SMD組件，使整體組件數(shù)量超過300個。所有這些組件都必須手動放置。

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

接下來，我們將所有280個SMD RGB LED放置在它們的襯墊上，確保每個LED的方向正確，因為不正確的方向會阻止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的部件。

一旦所有的組件被放置，整個板被小心地抬起，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。

測試SMD led

在我們將RP2040板放置在PCB背面之前，我們測試了led是否工作。如果led不工作，并且RP2040已經安裝在PCB的背面，我們將無法使用熱板來糾正led。

我們在RP2040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LED一個接一個地打開為綠色。這個草圖取自Adafruit NeoPixel庫的示例草圖。

RP2040組裝

在確認led正常工作后，我們轉向RP2040組裝過程，首先將板翻轉，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時按住BOOTSEL按鈕，將微控制器置于BOOTSEL模式。一旦檢測到，我們就把主代碼上傳到電路板上。

讓我們來分析一下我們?yōu)檫@個項目準備的代碼。

我們使用以下庫，使LED矩陣像一個微小的像素顯示器一樣工作。

Adafruit_NeoPixel

?Adafruit_GFX

?Adafruit_NeoMatrix

矩陣配置

游戲運行在14×20 LED矩陣上，與經典的俄羅斯方塊操場相匹配。

MATRIX_PIN是驅動WS2812B數(shù)據線的GPIO。

本節(jié)定義：

?LED布局方向(左上原點，順行布線)

?顏色順序(GRB，標準為WS2812B)

?信號速度(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

定時和脫機控制

這些值控制正常下降速度以及快速下降時，保持速度按鈕

防止意外的快速移動或旋轉。

游戲網格與狀態(tài)

這部分代表比賽場地;0是空單元格，1是已占用的單元格。

這將跟蹤當前棋子的位置、旋轉狀態(tài)(0-3)以及哪個方塊處于活動狀態(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4次，每次旋轉是一個4×4矩陣。

碰撞檢測

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

這個函數(shù)檢查該塊是否在矩陣邊界內，以及它是否與已經放置的塊重疊。

如果任何塊發(fā)生碰撞，則拒絕放置。

將一個部件鎖定到網格中

當一個棋子不能再下落時，它的像素被復制到網格中，棋子就成為場地的一部分。

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，并清除最上面的行。

生成新的碎片和游戲結束

這個函數(shù)隨機選擇一個新的四音，它從頂部中心開始。如果不能立即放進去，游戲就結束了。

當游戲結束時，屏幕變成紅色，網格被清除，游戲重新開始。

渲染游戲

這個函數(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色繪制。

在設置函數(shù)中，初始化LED矩陣，設置亮度，配置按鈕引腳，播種隨機數(shù)生成器，并衍生第一個四元。

loop()函數(shù)處理移動、旋轉和速度控制的按鈕輸入，使用計時器管理基于重力的下落，執(zhí)行碰撞檢測，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

在測試完代碼后，我們安裝了最后一個通孔組件：USB Type-C端口。

我們使用的是只有電源的Type-C連接器，只有正極和負極端子，沒有數(shù)據引腳。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

為了給項目供電，我們使用了一個3.7 V 650 mAh的LiPo電池，其正負端焊接到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)關閉。

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

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M2.5 Torx螺栓將外殼與PCB固定。在背面，我們給出了一個窗口或插槽，允許用戶訪問FPC連接器以重新編程RP2040 Tiny。

結果

這是這個小而乏味的構建的最終結果：一個運行自定義版本《俄羅斯方塊》的基于RGB矩陣的手持游戲機。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，以制作真正的便攜式手持設備。

目前，這個設置工作得很完美。我們可以使用左右鍵來控制四重奏的形狀，使用旋轉鍵來旋轉形狀，甚至可以加速下落的方塊。

機載LiPo電池提供大約4小時的電池備份，這是相當不錯的。這種運行時間可以通過降低led的亮度進一步延長，從而降低總體電流消耗。

這個游戲機也可以用于未來的想法。雖然目前的實現(xiàn)運行的是自制版本的《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，或作為文本和簡單圖形的通用LED矩陣顯示器。

本文編譯自hackster.io