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MicroByte 是一款微型主機，能夠運行 NES、GameBoy、GameBoy Color、Game Gear 和 Sega Master 系統(tǒng)的游戲，所有元器件都設計在這 78 x 17 x 40 mm 的封裝中。

盡管成品尺寸很小，但它符合 SNES 游戲板的布局并且具有操作按鈕。

除此之外，它還配有一個清晰的 1.3 英寸 IPS 顯示屏，可以看到游戲的所有細節(jié)。

隨后還會更新 Python 和 Arduino 庫，以便進行游戲以外的開發(fā)工作。

固件、PCB 設計、外殼 3D 文件等可以在本項目文件庫中下載：

https://make.quwj.com/project/359

BOM 清單：

https://github.com/jfm92/microByte_PCB/blob/main/microByte_BOM.xlsx

項目架構

通常啟動電子項目時，首先會創(chuàng)建一個框圖，其中設置項目所需的功能及交互的方式，然后繪制原理圖。在原理圖上，選擇符合要求的元器件并進行電氣連接，之后進行 PCB 布局設計。最后，按照設計規(guī)則和物理設計準則設置每個元器件基座的位置。

上面是以面包板為原型的原始版本，下面是最終版本。

此處將按照模塊化思想進行項目開發(fā)，輔以原理圖設計和 PCB 布局設計。

該項目原理圖和 PCB 布局是用 Kicad 設計的，下載鏈接：

https://github.com/jfm92/microByte_PCB/tree/5cb0fcf7a9658e331d677588a7f35327a7d491d7

要打開它，只需安裝 Kicad 并雙擊 .pro 文件。

ESP32 微控制器

首先選擇合適的微控制器，對于該項目，選擇 ESP32 Wrover E 模塊。該模塊/微控制器特點：具有 240 MHZ 雙核、16 MB 閃存、8 MB RAM、超低功耗協(xié)處理器、支持 Wi-Fi 和藍牙以及全套外圍設備和 GPIO，仿真性能極佳。設計中可參考 Espressif，數(shù)據(jù)表如下：

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wrover-e_esp32-wrover-ie_datasheet_en.pdf

電路板模塊的原理圖：

中間是與外圍設備連接的 ESP32 模塊。

引腳 25 是 IO 0 引腳。該引腳為選擇設備的引導狀態(tài)，可以閃存新固件或啟動已閃存的固件。信號為高，啟動已閃存的固件；信號為低，啟動引導模式，并等待新固件。

引腳 3 是啟用引腳（又名復位）。如果這個引腳是高電平，微控制器將工作，否則不工作。為了避免信號彈跳，此處有一個 RC 電路（電阻/電容），在板啟動或跳變時產(chǎn)生干凈的信號，以防止意外復位。由于該電路沒有復位按鈕，因此并不是完全必要，但最好保持謹慎。

引腳 24 是 IO 2 引腳，連接了一個帶電阻器的藍色 LED，起到顯示通知的作用。

讓我們看看引腳 2 或 VDD 3V3。這引腳是給芯片供電的，電壓 3.3 V。注意并聯(lián)電容器，這些電容器是去耦電容器，用于清除寄生干擾。

下面是 PCB 設計布局和 PCB 板中重點研究的部分。

除此之外，相關的組件必須盡可能靠近。

添加 USB 模塊

USB 收發(fā)器是一個將 USB 信號轉換為串行、RS232 或其他類似協(xié)議的芯片。在市場上，有各種各樣的型號可供選擇，此處使用 CH340C。

CH340C 不需要像 CH340G 一樣的外部時鐘，其用法簡單，價格是 CP2102 或 FT232 的一小部分。

圖的右側所示。它的設計非常簡單，只有一塊芯片，上面有兩個去耦電容和一個 0 歐姆的電阻。如果不確定是否必須進行連接，則將這種電阻器用作電橋。

右邊是 USB-C 連接器的示意圖。其作用是連接到 PC 并給電池充電。在 PCB 布線時，使用 USB-C 更具挑戰(zhàn)性，因為需要添加雙連接，可以在任何方向使用導線。

提示：USB 信號是并行高速信號，必須盡量平行布線，避免信號間的串擾，并盡量將信號線布在靠近數(shù)字邏輯芯片的地方。

電池與電源管理

此處分為三個部分：電池充電和保護電路、電源管理和電池電量控制。

電池充電和保護電路：

對于 Li-Po 電池的使用，安全第一，需要做一個正確的恒流充電控制器，使它不要在 4.2 V 以上充電或在 2.8 V 以下對電池放電，以免損壞電池。

TP4056 是一個鋰聚合物電池充電器芯片，可提供恒定的線性電壓電流，還可以通過修改 R 2 的阻值設置充電電流。切記充電電流應為電池容量的 25 % 左右。此芯片連接到 LED D1，以顯示電池的充電狀態(tài)。

FS312F-G 是一個電池保護電路芯片，如果檢測到電池過度充電或過度放電，它會切斷電池的使用。這樣可以避免損壞電池。

FS8205 是一個集成兩個 MOSFET 晶體管以選擇電路功率的芯片，如果電池處于合適的范圍內，它將從電池中獲取能量，如果將設備連接到 USB 端口，它將直接利用 USB 的能量工作。

電源管理：

該模塊是電壓轉換器的升壓電路，可提供 3.3 V 的恒定電壓。鋰電池的最大充電電壓為 4.2 V，最小安全電壓為 2.8 V。因此，需要提供恒定電壓以避免微控制器不穩(wěn)定或顯示器上的亮度較低。

為解決這個問題，此處使用 MT3608，它是一種可配置的升壓電壓轉換器。在該電路的輸出端，電壓為 4.2 V，高于器件所需的 3.3 V，所以使用 MCP1700 電壓轉換器將電壓從 4.2 V 轉換為 3.3 V。

這個方案可能存在過度設計或效率低下的問題，但這是最便宜有效的解決方案。

電池電量控制：

就像升壓電路前的分壓器一樣簡單。此點的電壓最大將達到 4.2 V，因此僅需設計一個降至 3.3 V 的分壓器以遵守 ESP32 的邏輯電平并將其連接到 ADC GPIO 即可測量模擬電平信號。

設計 SD 卡模塊

SD 卡使用 SPI 協(xié)議，這是一種雙向通信，可實現(xiàn)高速通信。使用外設時，不必擔心串擾，因為它的速度不足以產(chǎn)生磁場（至少此處沒有任何問題）。

電路也非常簡單，將每條線連接到 MCU 的 SPI GPIO 口并添加一個上拉電阻。該電阻對于保持線路上的恒定高電平并避免可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g電平信號很重要。

此處還有我們的老朋友去耦電容器。

音頻輸出

使用 ESP32，有兩種方式輸出音頻。通過檢查數(shù)據(jù)表，此處可以使用集成的 I2S 到 DAC 轉換器或直接使用 I2S 外設。

獲得音頻輸出的最簡單方法是使用 I2S 到 DAC 轉換器，因為可以將揚聲器直接連接到 GPIO，如果音頻音量很低，則可以使用模擬音頻放大器，這非常容易實施。但是這種解決方案也帶來了一些不便。DAC 僅使用 I2S 16 位中的 8 位，這意味著將丟失很多音頻信息，導致音頻質量非常差。

I2S 是一種數(shù)字音頻協(xié)議，可保證高保真音頻，而不造成質量損失或噪聲。但需要一個轉換器模擬轉換器和放大器收到的東西。此處采用 MAX98357 音頻放大器。該放大器將 I2S 信號轉換為模擬信號，并將其放大以直接用于接揚聲器或耳機。該放大器/轉換器可為我們提供 6.4W 的輸出功率，并具有可配置的輸出選擇——在單聲道或立體聲音頻之間進行選擇和阻抗選擇。

免責聲明：我對音頻的了解不是很深，所以一些音頻數(shù)據(jù)可能是錯誤的，僅供參考。

添加按鍵

ESP32 是一個不錯的模塊，但它的 GPIO 端口數(shù)量很少。但是不用擔心，我們有 TCA9555 解決方案。

TCA9555 是 I2C GPIO 多路復用器。該器件最多允許使用 18 個額外的 GPIO。這些 GPIO 可用作輸入或輸出，并可通過 I2C 進行控制或檢查。因此，僅使用兩個 GPIO（I2C SDA 和 I2C SCLK），就有了 18 個額外的 GPIO！延遲不是問題，因為可以讀取或寫入高達 400 Khz的數(shù)據(jù)，這意味著每秒 400000 次！

讓我們看一下原理圖。該多路復用器可與 I2C 一起使用，因此需要上拉每個信號以避免線路上的噪聲。它也有一個中斷引腳，但未使用。I2C 信號為 SCL 和 SDA 引腳（19 和 20）。需要通過硬件配置設備的地址，此配置通過設置引腳 A0、A1 和 A2 的邏輯電平來完成。此處只有一個 I2C 設備，因此給出地址 0x00。

最后，所有開關按鈕都直接連接到芯片，我們通過軟件配置設置了上拉或下拉電阻，因為該多路復用器具有可配置的內部電阻。