使用WS2812作为显示器设计俄罗斯方块游戏

本项目以使用WS2812B迷你LED矩阵作为显示器的想法开始，搭配微控制器(Waveshare RP2040 Tiny)来控制矩阵并处理所有游戏逻辑。

为了把所有的东西结合在一起，我们设计了一个定制的PCB，集成了14×20 LED矩阵、输入按钮和专用电源管理电路。整个系统由一个LiPo电池供电，板载电源管理IC负责电池的充电和放电。

本文介绍了该项目的完整构建过程;让我们开始吧。

材料要求

本项目使用了以下材料：

•定制PCB (HQ NextPCB提供)

•RP2040微型浪享板

•WS2812B 2020封装led

•100nf电容器0603封装

•10uf电容器1206封装

•IP5306

•10 uH电感器

•指示灯LED 0805封装

•USB Type-C接口

•按钮6x6 SMD

•2欧姆1206封装

•RP2040微型程序员

•3D打印外壳

三维模型

这个项目开始于Fusion 360。我们首先将WS2812B 2020封装led的3D模型导入Fusion，以及SMD开关、USB Type-C端口、RP2040 Tiny和电池的CAD模型。

然后我们设计了一个91 × 47 mm的PCB。板的上半部分专用于RGB LED，在那里我们使用图案特征创建了一个14行乘20列的LED矩阵。在下方部分，我们按照Game boy风格的布局放置SMD开关，其中的方向键由上、下、左、右按钮组成，然后是a和B按钮。

RP2040 Tiny被放置在PCB的背面。除此之外，我们还模拟了一个外壳，以将PCB牢固地固定在适当的位置，覆盖包含电池的背面，并使设备舒适地持有。我们甚至在外壳的顶部添加了一个环，作为一个设计元素，它可以连接一个身份证带，这样设备就可以作为徽章佩戴或挂在某个地方。

在完成模型后，我们导出了外壳网格，并使用Hyper PLA在我的新Anycubic Kobra S1上进行了3D打印，打印结果非常干净。我已经使用《末影3》很长一段时间了，而这次升级正是我所需要的。

我们还导出了组件放置、板轮廓和总体布局参考的关键尺寸。这些尺寸后来在PCB设计过程中使用。

PCB设计

PCB设计过程从为项目准备原理图开始。在我们的案例中，我们以前使用过WS2812B 2020封装led。由于尺寸小，这些led并不容易使用，但同样紧凑的外形因素正是使它们成为基于矩阵的项目的理想选择。

我们重用了先前8×8 Tiny Matrix项目中的原理图作为起点。我们不再使用8×8布局，而是通过添加更多led将设计扩展为14×20矩阵。

然后，我们在RP2040 Tiny板的原理图中添加了另一部分，它连接到六个按钮。所有按钮都连接到GND和单独的GPIO引脚。当按钮被按下时，它将相应的GPIO引脚拉低，微控制器将其注册为按钮按下。

我们使用了Waveshare的RP2040 Tiny，这是一款基于RP2040的SMD开发板，设计用于作为模块直接安装在PCB上，类似于ESP-12F或ESP32模块。RP2040 Tiny的特点是有槽状焊盘，这使得它可以焊接到PCB的背面，并干净地集成到整体设计中。

对于电源，我们包含了我们在许多以前的项目中使用的值得信赖的IP5306-a电源管理IC。它从3.7V锂电池提供稳定的5V输出，并包括充电指示，低电量警告和高/低压切断等功能，这些都是锂电池安全运行所必需的。

NextPCB PCB服务

PCB设计完成后，将Gerber数据发送给HQ NextPCB，并订购了绿色白色丝印阻焊片;这次我们甚至还订了一个模版。

下订单后，PCB和模板都在一周内收到，PCB质量非常好。

另外，我要把HQDFM带给你，它在很多项目中给了我很大的帮助。华秋的内部工程师开发了免费的制造设计软件HQDFM，彻底改变了PCB设计师如何可视化和验证他们的设计。

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HQDFM：免费在线Gerber查看器和DFM分析工具

此外，NextPCB有自己的Gerber Viewer和DFM分析软件。

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这是我在在线Gerber Viewer中看到的。这是一个体面的快速看，但不是完全清楚。要获得完整的功能(例如pcb的详细DFM分析)，您需要下载桌面软件。网页版本只提供基本的DFM报告。

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模板的过程

我们通过在PCB上涂锡膏开始电路组装过程，但是有一个小问题。在这个项目中使用的组件数量相当大，这也意味着非常高的垫板数量。因此，使用锡膏点胶注射器是不切实际的。相反，我们使用了专门为这个电路制作的定制模板。

模板本质上是一块薄金属片，上面有激光切割的槽和孔，与PCB上的组件焊盘相匹配。使用模板可以使焊膏均匀地涂抹在所有焊盘上。在大规模生产电路的工业环境中，模板通常用于此目的。

我们首先用额外的PCB板搭建了一个临时的PCB板和模板架。这种设置有助于保持主PCB固定，并确保它在过程中不移动。

在将模板开口与PCB组件焊盘对齐后，我们在模板上涂上锡膏，并用刮刀将其均匀地散布在插槽上。该工艺在每个元件焊盘上沉积了一层薄而均匀的焊膏，为元件的放置做准备。

贴片元件贴片工艺

现在是另一个繁琐的过程：SMD组件放置。这是繁琐的，因为在这个项目中使用了大量的led。我们总共使用了280个led以及其他几个SMD组件，使整体组件数量超过300个。所有这些组件都必须手动放置。

我们首先将100nf去耦电容器放置在指定位置。在取放过程中，我们使用了防静电镊子。

接下来，我们将所有280个SMD RGB LED放置在它们的衬垫上，确保每个LED的方向正确，因为不正确的方向会阻止LED工作。

在LED放置后，我们添加了剩余的SMD组件，其中包括SMD按钮和所有与电源管理电路相关的部件。

一旦所有的组件被放置，整个板被小心地抬起，并放置在SMD回流热板。热板从下面加热PCB到锡膏熔化温度，大约是200°C。因此，所有的组件都被安全地焊接到它们的焊盘上。

测试SMD led

在我们将RP2040板放置在PCB背面之前，我们测试了led是否工作。如果led不工作，并且RP2040已经安装在PCB的背面，我们将无法使用热板来纠正led。

我们在RP2040的5V、GND和GPIO0端子上增加了跳线。然后将这些跳线连接到XIAO SAMD21 M0开发板。

我们将下面的草图上传到XIAO上，它将链中的每个LED一个接一个地打开为绿色。这个草图取自Adafruit NeoPixel库的示例草图。

RP2040组装

在确认led正常工作后，我们转向RP2040组装过程，首先将板翻转，将2040 Tiny放置在其位置，然后用烙铁焊接所有的焊盘和其castellated端子。

主要代码

然后我们继续将主固件闪烁到RP2040 Tiny上。使用随附的FFC带状电缆和USB适配器板，在将微控制器连接到USB时按住BOOTSEL按钮，将微控制器置于BOOTSEL模式。一旦检测到，我们就把主代码上传到电路板上。

让我们来分析一下我们为这个项目准备的代码。

我们使用以下库，使LED矩阵像一个微小的像素显示器一样工作。

Adafruit_NeoPixel

•Adafruit_GFX

•Adafruit_NeoMatrix

矩阵配置

游戏运行在14×20 LED矩阵上，与经典的俄罗斯方块操场相匹配。

MATRIX_PIN是驱动WS2812B数据线的GPIO。

本节定义：

•LED布局方向(左上原点，顺行布线)

•颜色顺序(GRB，标准为WS2812B)

•信号速度(800khz)

按钮输入

所有按钮都使用INPUT_PULLUP，并且按下按钮将引脚拉到LOW

定时和脱机控制

这些值控制正常下降速度以及快速下降时，保持速度按钮

防止意外的快速移动或旋转。

游戏网格与状态

这部分代表比赛场地;0是空单元格，1是已占用的单元格。

这将跟踪当前棋子的位置、旋转状态(0-3)以及哪个方块处于活动状态。

《Tetromino》定义(游戏核心)

共有7件(I， O， T， S， Z， J， L);每一块可以旋转4次，每次旋转是一个4×4矩阵。

碰撞检测

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

这个函数检查该块是否在矩阵边界内，以及它是否与已经放置的块重叠。

如果任何块发生碰撞，则拒绝放置。

将一个部件锁定到网格中

当一个棋子不能再下落时，它的像素被复制到网格中，棋子就成为场地的一部分。

Line-clearing逻辑

该函数扫描每一行，如果一行被完全填充，则上面的所有行都向下移动，并清除最上面的行。

生成新的碎片和游戏结束

这个函数随机选择一个新的四音，它从顶部中心开始。如果不能立即放进去，游戏就结束了。

当游戏结束时，屏幕变成红色，网格被清除，游戏重新开始。

渲染游戏

这个函数很重要;它清除屏幕并以绿色绘制锁定块。积极下落的碎片用蓝色绘制。

在设置函数中，初始化LED矩阵，设置亮度，配置按钮引脚，播种随机数生成器，并衍生第一个四元。

loop()函数处理移动、旋转和速度控制的按钮输入，使用计时器管理基于重力的下落，执行碰撞检测，锁定片段，清除已完成的线条，并每帧重新绘制屏幕。

通孔组件放置工艺

在测试完代码后，我们安装了最后一个通孔组件：USB Type-C端口。

我们使用的是只有电源的Type-C连接器，只有正极和负极端子，没有数据引脚。连接器从PCB的顶部放置，并使用烙铁从底部焊接。

这一步完成后，电路板组装就完成了。

电源

为了给项目供电，我们使用了一个3.7 V 650 mAh的LiPo电池，其正负端焊接到PCB背面提供的电池连接器上。

按一次电源按钮使电路打开，而按两次电源按钮则使系统关闭。

由于我们使用IP5306电源管理IC，板载状态LED提供视觉反馈-充电时闪烁，电池充满时保持固态，当电池电压降至低水平时再次闪烁。

外壳组装

我们首先将主电路放置在3d打印外壳上，然后使用四个M2.5 Torx螺栓将外壳与PCB固定。在背面，我们给出了一个窗口或插槽，允许用户访问FPC连接器以重新编程RP2040 Tiny。

结果

这是这个小而乏味的构建的最终结果：一个运行自定义版本《俄罗斯方块》的基于RGB矩阵的手持游戏机。我们从零开始创建了LED矩阵板，并将其与基于rp2040的微控制器和板载电源电路配对，以制作真正的便携式手持设备。

目前，这个设置工作得很完美。我们可以使用左右键来控制四重奏的形状，使用旋转键来旋转形状，甚至可以加速下落的方块。

机载LiPo电池提供大约4小时的电池备份，这是相当不错的。这种运行时间可以通过降低led的亮度进一步延长，从而降低总体电流消耗。

这个游戏机也可以用于未来的想法。虽然目前的实现运行的是自制版本的《俄罗斯方块》，但同样的硬件以后可以用于其他游戏，作为交互式徽章，或作为文本和简单图形的通用LED矩阵显示器。

本文编译自hackster.io