构建一个便携式的数字地图设备

PathFinder 是一款可穿戴的便携式设备，它存储了我家乡的地图，通过 D 键按钮即可查看和导航该地图。这就是“路径探索者”，这是一款由 UNIHIKER M10 提供动力的 DIY 数字地图设备，旨在帮助您找到正确的路线。

我会去家乡附近山区乘坐游乐设施，在那里，有些地方经常会出现信号中断的情况。完全依赖谷歌地图是不可取的;有时由于数据问题，地图无法完全加载，如果遇到这种情况而被困在那里，那可真是糟糕透顶了。

如果我们有一张实体地图以及一些导航技能的话，这一切都能解决。我没有实体地图，但我已经制作了一张数字化地图，并将其加载到了 UNIHIKER M10 板上。我们可以通过方向按钮来使用这张地图进行导航。有了这张地图，如果有人被困了，他们也能自己找到出路。

为了验证这一点，我前往了我家乡附近的一片偏远山区，并使用这张地图来导航一条我之前从未走过的小路。我按照地图的指示前行，顺利地找到了回家的路，没有任何困难。

这篇文章详细介绍了该项目的整个构建流程，包括印刷电路板的制造过程、代码编写以及设备组装等环节，那么让我们开始进行构建吧。

所需材料

这些就是本项目所使用的材料——

•定制印刷电路板(由 PCBWAY 提供)

•Unihiker M0 开发板

•3D 打印部件

•IP5306 电源管理集成电路

•10 微法 1206 电容

•C 类端口

•垂直式按钮

•LED 0603 绿色型号

•1 微亨电感(贴片式)

•按钮尺寸为 4×4 毫米。

硬件 - UNIHIKER M1

我们项目的核心产品是 UNIHIKER M10，这是一款非常独特的单板计算机。它配备了内置的 2.8 英寸触摸显示屏，并内置了 Wi-Fi 和蓝牙功能。

使这款设备真正与众不同的在于其处理器和协处理器。它采用的是RK3308 ARM 64 位处理器，拥有 4 个核心，工作频率为 1.2GHz。它配备有 512MB 的 DDR3 内存，并内置有 16GB 的 eMMC 芯片。

为了控制 GPIO(通用输入输出)接口，它配备了一个协处理器，即 GD32VF103C8T6。这个名称可能较长，但它是一款基于 RISC-V 架构的处理器，工作频率为 108MHz，配备有 64KB 闪存和 32KB SRAM。

中央处理器无法直接控制通用输入输出端口，因此我们添加了一个协处理器，我们可以使用 Python 来控制它。系统通过 PinPong 库来控制这个协处理器。

地图用户界面构建

UNIHIKER M10 运行的是完整的 Debian Linux 系统。它上面的所有设备，包括屏幕、GPIO 引脚和传感器，都是通过 Python 进行控制的，因此没有 Arduino IDE 支持，而且遗憾的是也没有 C 语言支持。

对于这张地图，我从《辐射：新维加斯》中的“仪表板 3000”界面中获取了灵感，该界面有着琥珀色的色调。普通的地图太过单调，而作为一名《辐射》的粉丝，我有责任创作出一款受“仪表板”启发的地图。

使用了两个库。第一个是 UNIHIKER 驱动程序，它控制着内置的 240×320 显示屏。然后是 PinPong 库，用于读取和写入 GPIO 引脚。

显示帧

我们首先创建一次图像组件，然后在每一帧中仅更新其文件内容。

使用 Pillow 进行渲染

所有图形均在内存中使用 Pillow 库进行绘制——不使用帧缓冲区，也不使用 pygame 库。每一帧都会经过以下处理：

•从 2000×2000 的地图中裁剪出一个 320×240 的视图区域

•涂抹一层琥珀色的色调

•绘制 CRT 网格 + 位置标识图标

•复合扫描线叠加

•使瞄准器动起来

•绘制 HUD 指示条

•旋转至横屏模式

•保存并推送

Amber Tint

该地图将以正常的 RGB 格式加载。若要获得“皮普-鲍伊”那种磷光效果，需将红色通道用作所有三个通道的亮度源：

物理按键

按钮通过带有内部上拉电阻的 GPIO 引脚进行连接。当被按下时，它们会使该引脚变为低电平，因此读数为“0”意味着“已按下”。

肖像屏上的风景画

物理显示尺寸为 240×320(竖屏)。我将图像绘制到一个 320×240 的画布上(横屏)，然后在保存前对每一帧进行旋转：

渲染循环

标准固定时间间隔循环——休眠一段时间，休眠时间为帧预算中剩余的时间。

图书馆

UNIHIKER 电源输入端

接下来，在完成了地图设置的配置之后，我们解决了 UNIHIKER 电源输入的问题。UNIHIKER M10 使用 USB Type-C 接口作为电源输入端口，能为设备提供稳定的 5 伏电压，从而使设置能够正常运行。但这款板子的问题在于没有内置电池接口。

在 Type-C 接口附近，我们能看到两个接线端。第一个接线端连接到 USB Type-C 接口的 VCC 端子，而另一个接线端则连接到 GND 端子。

通过为这两个端子提供 5 伏电压，我们就能为这块电路板供电，但要做到这一点，我们需要一个稳定的电源。

3D 设计

对于这个项目，我的想法是制作一个带有屏幕和旁边四个按钮的装置，其灵感来源于赛博朋克风格，该风格非常注重显示屏，并且其外形呈矩形且对称。

为了完善设计，我添加了一个遮阳帘部分，它还具有实用功能。当设备在户外使用时，它能为显示屏提供遮挡，使观看更加清晰。

我还添加了一个较大的旋钮，这个部件既不实用也不具备实际功能，只是出于美观的考虑才被加入进去的。此外，在正面我还添加了一个额外的部件以增强美观效果。

通过添加不同的部件，我的目的是使用三种颜色的细丝(红色、白色和黑色)进行 3D 打印，从而打造出出色的色彩搭配效果。

在该模型内部，有着合理的电路布局，其中包括按钮板。每个电路都有其专属的安装螺钉孔，我们将电路板放置在这些孔中，并用 M2 螺丝将其固定。

我们还在设备的一侧增设了开口，以便在需要重新编程该设备时能够接触到 UNIHIKER M10 的 USB 接口。此外，还增设了用于接触电源模块的 USB 接口以及电源开关按钮的开口。

为了安装身份证带，我们在一端加了一个类似钩子的部件，这样身份证带就可以与之连接了。

3D 打印部件

模型确定后，我们使用 Hyper PLA 材料按照相同的设置进行了所有部件的 3D 打印，这些设置包括 0.2 毫米的层高、25%的填充率以及 0.3 毫米 Z 距离的支撑结构。

前部主体部分采用了白色的超亮聚乳酸材料进行印刷。后部主体、阴影部分以及美观部分均使用黑色的超亮聚乳酸材料进行印刷。

红色超高强度聚酰亚胺被用于打印这四个开关以及旋钮部分。

PCB 设计 - 电源板

在这里，我们正在重新使用我那个便携式显示器项目中所用的电路。

在该电路中，IP5306 电源管理芯片从 3.7V 锂离子电池中持续获取 5V/2A 的电量。其高截止和低截止特性可防止电池过充和过放电。

我们所使用的充电接口是一种 Type C 通孔接口，它与 IC 充电接口相连。除了充电接口和地线之外，我们还配备了一个 10 微法的滤波电容以及一个由 10 微法电容和 2 欧姆电阻组成的组合元件。

此外，还在集成电路的 LED 接口处新增了四个 LED，这些 LED 将用作电池电量充足指示灯。

现在这个设备上新增了一个按钮，用于开启和关闭它。

此外，我们在 IC 和 GND 输出端还额外添加了两个滤波电容。

PCBWAY 服務

在完成设计后，我生成了印刷电路板的格柏文件，并将其发送给 PCBWay 进行制造。

我们下了两笔订单，其中一笔是关于按钮板的，我们选定将其制作成带有紫色焊膏遮蔽层和白色丝印的样式;另一笔是电源板的订单，其采用蓝色焊膏遮蔽层和白色丝印的样式。

下单后，印刷电路板在一周内就送到了，速度之快令人惊叹，而且这些电路板的质量也非常好。

在过去十年里，PCBWay 一直以提供可靠的印刷电路板制造和组装服务而树立了良好的声誉，成为了全球工程师和制造者们的首选合作伙伴。

老实说，如果你正在制作定制的印刷电路板却不去使用 PCBWay 这个平台，那你就是在给自己制造麻烦。他们还提供数控加工和 3D 打印服务。

功率板组装流程

对于此印刷电路板的组装过程，我们使用了一种焊膏分配注射器。我们将焊膏涂抹在每个元件的焊盘上，以此开始主电路组装过程。在此过程中，我们使用的是锡/铅 63/37 焊膏，其熔点为 190 摄氏度。

接下来，我们逐一取出每个表面贴装器件，并将其放置在正确的位置上。

随后，所有组件都会与各自的焊盘永久性地固定在一起。此时，整个电路会被放置在回流加热板上，该加热板会将印刷电路板加热至焊膏熔化所需的温度。

接下来，我们将每个 THT 组件(包括 Type C 接口和垂直按钮)放置在正确的位置。我们将 Type C 接口置于顶部，但将按钮的位置翻转过来，放置在底部。使用电烙铁，将这两个组件固定在相应的位置上。

电源

对于该项目的电源，我们使用的是锂离子电池，具体型号为 14500 形式、电压为 3.7 伏、容量为 600 毫安时的锂离子电池，该电池还配备了预装的 PCM 电路。这个 PCM 电路能够防止电池过充和过放电，甚至还能提供短路保护。

该电池的 B+ 和 B- 两端通过烙铁与我们的电源管理板上的电池端子进行焊接连接。

为了测试这个装置，我使用了一台万用表，按下垂直按钮以开启电路，然后我们就能看到指示灯亮了起来。

通过使用万用表，我们可以检测电路的输出电压，测量结果稳定在 5 伏，这表明装置正在正常运行。

PCB 设计 - 按钮板

这是我们项目中使用的第二个印刷电路板，即按钮板。

在这里，我们在一块 20×20 毫米的板子上添加了四个 4×4 毫米的按钮。每个按钮的放置位置以及安装孔的位置都是根据 3D 模型来确定的。

还添加了一个 CON5 连接器。第一个引脚连接到地线，其余四个端口分别与每个按钮引脚相连。通过这个连接器，我们之后将把 UNIHIKER M10 与我们的按钮板进行配对。

按纽板组装工艺

按钮板的组装过程非常简单明了。

我们将四个按钮分别放置在相应位置，将板子翻转过来，然后用烙铁将按钮的所有引线焊接好。

电子设备设置

该项目的电子配置包括：先将 UNIHIKER M10 与按钮板按以下顺序进行连接：

按钮 A 连接到 UNIHIKER 的 P3 端口。按钮 B 连接到 UNIHIKER 的 P0 端口。按钮 C 连接到 P1 端口。按钮 D 连接到 P2 端口。

我们还使用了内置的蜂鸣器，它与 P26 进行了配对。

接下来，我们用两根连接线将电源板的 5V 和 GND 端子与 UNIHIKER 的 5V 和 GND 端子连接起来。

按下垂直方向的按钮，设备就会开启，而“UNIHIKER”屏幕也会亮起，这表明设备已正常运行。

车身组装流程

现在我们开始组装过程，首先将按钮板放置在四个螺钉孔上。然后，用四颗 M2 螺丝将其固定。

接下来，锂离子电池被放置在机身下方，此处我们设计了一个电池固定座。电路也安装在两个螺钉凸起处的位置，并通过使用两颗 M2 螺丝固定到位。我们还使用少量热胶来确保电池保持完好且固定在正确位置。

我们使用强力胶水将我们设计的装饰部分粘贴上去，并将其放置在车身的前部。我们先在前部涂抹强力胶水，然后放置装饰部分，并将其固定在适当的位置。

UNIHIKER M10 从车辆前部车身内部安装。我们使用热胶将其牢固固定。

这些 3D 打印的按钮是从前部主体内部插入到相应位置的。然后，将前部和后部主体合在一起，并用四颗 M2 螺丝固定好。

接下来，将旋钮部分安装在设备的正面。这个旋钮仅具有装饰作用，并非具有实际功能。

从正面来看，我们将遮光部分放置到位，并用两颗 M2 螺丝将其固定。

组装工作已经完成。

可穿戴式表带

为了使这个设备便于佩戴，我加装了一条身份证挂带，这样携带起来就更方便了。

这款肩带扣固定在机箱左侧我设计的一个专用部件上。一旦安装好，这个设备就可以像身份证一样佩戴在身上了。

结果

这就是这个项目的最终成果：PathFinder，这是我设计的一款便携式数字地图设备，能帮助同行者找到自己的路线。它本质上就是一个屏幕内的地图，无需连接 Wi-Fi 或任何网络即可加载使用。通过方向控制键，我们可以轻松地在地图上导航。

这张地图的设计风格与《辐射：新维加斯》中的那张类似，有着琥珀色的色调，但它展示的是我的小镇，感觉相当酷。

为了在实际生活中测试这个设备，我骑上摩托车，前往了一个我之前从未去过的地方。我尝试使用“路径导航器”来导航，结果效果非常好。

我按照地图指引，走上了一条荒无人烟的公路，实际上这条公路就在一片丛林之中，然后我沿着这条路穿行而过，最终回到了熟悉的高速公路旁。

结论

这张地图是有效的，而且效果相当好，但在实地测试过程中我还是遇到了一些问题。

最让人恼火的是显示屏。优尼赫克显示屏的背光相当暗淡，在强光下几乎无法看清内容。我甚至为它设计了一个遮光罩，但效果并不好。此外，该显示屏的触摸屏还有一层反光层，这使得在户外的可视性更差了。

另一个限制因素是地图的尺寸。目前，该地图覆盖的区域约为 2000×2000 像素，这个尺寸可以通过修改 map.py 中的参数来增大，但这样做会使代码变得更重。因此，我需要找到一种既能高效缩放地图又不会显著增加代码大小的方法。

我还意识到，如果把这个装置安装在我的摩托车上，而不是像徽章一样佩戴在身上，可能会更加实用。

在这种配置下，我可以通过添加温度传感器、视频录制功能，甚至一些像追踪前方车辆这样的人工智能特性来扩展其功能。如果将其安装在自行车上，它甚至还可以配备蓝牙音箱;可能性是无穷无尽的。

本文编译自hackster.io