口袋版迷你任天堂手柄
本帖最后由 fibx 于 2025-6-2 13:56 编辑# 口袋版迷你任天堂手柄
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**大家好，欢迎回来！** 今天，我要分享一个既有趣又小巧的项目——**口袋版超级任天堂手柄 (Pocket SNES)**！这是一个完全从零开始打造的经典超级任天堂手柄迷你版，使用了**定制 PCB 板**和**3D 打印外壳**。
这个项目经历了不少改进。最初我做了一个**超大号版本**，核心是 XIAO SAMD21 微控制器，装在一个特大的外壳里。那时我不得不把外壳分成三部分打印，再组装成一个巨大的手柄单元。对于第二个版本，我的目标是在保留所有功能的前提下，把它缩小到比手掌还小的尺寸。
为了实现这个小巧版本，我打算使用 (https://www.waveshare.com/wiki/RP2040-Tiny) 迷你开发板，它是树莓派 PICO 的贴片模块版本。我把这块 RP2040 Tiny 模块安装在一个手柄形状的 PCB 板上：**正面**装有小型贴片微动按钮，**背面**则固定着 RP2040 主控制器。为了提升握持手感，我在 PCB 板底部加装了一个外壳，使其握持起来更舒适。
别看它体积小，口袋版 SNES 手柄表现相当出色。我们首先用它玩了《Broforce》，需要把手柄按键映射到游戏角色的动作上。简单来说，**这个手柄可以用于任何游戏**，我们只需要在游戏里设置好按键映射就行。
接着，我们又在 MAC Pi 游戏机上测试了这个手柄。我在 PPSSPP 模拟器上玩了几款游戏，包括《Moto GP 3》和《生死格斗天堂》。同样地，我们也在 PPSSPP 模拟器的设置里映射了手柄按键。
总的来说，这个迷你版的 SNES 手柄的功能和标准尺寸的 SNES 手柄（拥有 12 个按键）是一样的。这个项目最棒的一点是，它只需要把一块 PICO 和 12 个按钮连接起来，**简单几步就能完成**。
在这篇教程里，我会详细介绍打造这个小巧又简洁的游戏手柄的全过程。让我们开始吧！
## 所需材料
本项目用到的材料如下：
- **定制 PCB 板**（由 PCBWAY 提供服务）
- **RP2040 Tiny 开发板**（带 USB 适配板）
- **贴片微动按钮**
- **3D 打印外壳**
- **插件式直角微动开关**
- **M2 螺丝**
## 第一步：设计
我们从创建项目的模型开始，这一步挑战很大。
在开发这个迷你版本之前，我们做过一个超大号版本（XL）。XL 版本空间充裕，元器件可自由布局，基本不受限制。
但在迷你版本中，最初想把所有元件都放进一个外壳的想法行不通。于是我设计了一块**可双面安装元件**的 PCB 板，并在底部加装了一个框架结构。这个框架既保护了 USB 适配板，也大大改善了握持手感。
- **贴片按钮**安装在 PCB 板的**顶面**。
- **直角微动开关**和 **RP2040 Tiny 开发板**安装在 PCB 板的**底面**。
- **USB 适配板**安装在框架背面，用集成在框架上的螺丝柱固定。
模型定稿后：
- 我们将模型导出为网格文件，使用**透明 PLA 材料**进行 3D 打印（这样板载的 RGB LED 灯光就能透出来）。
- 同时导出了 PCB 板的 DWG 文件，用于后续的 PCB 设计。
## 第二步：RP2040-Tiny 微型开发板
我们使用的是基于树莓派 RP2040 核心的 **RP2040-Tiny 迷你开发板**。它附带一个独立的编程适配板，将 Type-C USB 接口与主电路分开，有效减小了整体厚度和尺寸，方便用户集成到自己的项目中。
**技术规格方面：** 它本质上就是一个带有 RP2040 微控制器芯片的 Pico，但做了一些改进：
- 板载 **8PIN FPC 软排线接口**，用于连接 Type-C 适配板。
- 增加了**半孔焊盘 (Castellated holes/pads)**，可以直接焊接到载板上。
- 板上还添加了一颗 **WS2812B 2020 封装的 LED 灯**（连接到 GPIO16）。
总体而言，核心参数与 Pico 相同：
- **RP2040 双核 Arm Cortex M0+ 处理器**
- 高达 **133 MHz** 的灵活时钟频率
- **264KB SRAM**
- **2MB** 板载闪存
关于这块开发板的详细信息，可以访问其[官方 Wiki 页面](https://www.waveshare.com/wiki/RP2040-Tiny)。
这块板子我是从 **PCBWAY 的礼品商店 (Gift Shop)** 购买的。这是他们的在线商城，提供正品价格的电子模块、开发板和传感器，也可以通过 PCBWAY 的积分系统“豆子 (beans)”兑换。
## 第三步：PCB 设计
如前所述，游戏手柄的 PCB 设计其实非常简单：本质上就是将 **RP2040 Tiny** 开发板连接到 **12 个贴片按钮**。每个按钮都连接到一个 RP2040 的 GPIO 引脚上。所有贴片按钮的引脚都连接到**地线 (GND)**。当一个按钮被按下时，与之相连的 GPIO 引脚就接地了，我们的微控制器就能检测到这个状态变化。
绘制好原理图后，我们导出网络表，并使用 3D 模型中的 DWG 文件来定义 PCB 的形状。所有贴片按钮（包括两个扳机按键）都严格按 3D 模型的位置摆放。PCB 板上还开了**四个安装孔**，用于将框架固定到 PCB 板上。
RP2040 开发板安装在 PCB 板的**底面**。
## 第四步：PCBWAY 服务
PCB 设计完成后，我们选择了**白色阻焊层 + 黑色丝印**的工艺，并在 PCBWAY 的报价页面上传了 Gerber 文件。
**一周内就收到了 PCB 板，质量非常棒！** 我们在 PCB 的丝印层添加了一些设计元素来提升项目的美观度。PCBWAY 完美地实现了这些定制细节，充分展现了他们卓越的 PCB 制造能力。
在过去的十年里，PCBWay 凭借提供出色的 PCB 制造和组装服务而闻名，成为全球无数工程师和设计师信赖的合作伙伴。
如果你需要高性价比的优质 PCB 服务，可以去看看 (https://www.pcbway.com/)。
## 第五步：PCB 组装 - 贴片按钮安装
1. **点焊锡膏：** 我们用点胶针头，将普通的 **Sn/PB 63/37 焊锡膏**逐个点在 PCB 顶面每个按钮焊盘上。
2. **放置按钮：** 用防静电镊子拾取并安装所有贴片微动按钮。
3. **回流焊接：** 把电路板放到我们的 Miniware **回流焊加热台**上加热。加热台从底部加热 PCB，直到焊锡膏熔化，这样所有元件就一次性焊接到位了。
## 第六步：PCB 组装 - RP2040 Tiny 安装
RP2040 Tiny 的安装过程和前面的回流焊工艺略有不同。因为 PCB 顶面已有贴片元件，无法再用加热台从底部加热来焊接背面的元件。
- **使用电烙铁：** 我们在这里使用电烙铁。首先，在烙铁头上蘸点助焊剂，然后在 RP2040 Tiny 焊盘中的一个焊点上熔化一点焊锡。
- **定位焊接：** 用镊子夹起 RP2040 Tiny 模块，精确放到它的位置上。接着用电烙铁加热刚刚上锡的那个焊点。熔化的焊锡会把模块初步固定住。
- **焊接对侧焊点：** 再焊接模块对角的焊点，确保模块完全固定。最后，用电烙铁把所有剩下的焊点都焊好。
## 第七步：PCB 组装 - 插件开关安装
1. **安装开关：** 将插件式 (THT) 开关从电路板的**底面**插入。
2. **焊接引脚：** 在电路板的**顶面**用电烙铁焊接开关的引脚。
3. **剪掉多余引脚：** 最后用剪线钳剪掉顶面露出的插件开关引脚。
## 第八步：连接适配板与控制器
PCB 板组装完成后，开始组装连接 USB 适配板和主控板。
1. **连接排线：** 我们使用随附的**柔性排线 (FPC)**。先将排线连接到 Type-C 适配板上。
2. **连接主控板：** 接着将排线的另一端连接到 RP2040 Tiny 板上的接口。排线的**连接方向很重要**：蓝色面（通常标识为第1脚）应朝上，并且要确保排线完全插入接口内。
3. **整理排线：** 原配的排线有点长，我们把它弯曲折叠一下，使其更紧凑。
## 第九步：框架组装
- **穿入适配板：** 先将 USB 适配板穿过框架部件。
- **对齐固定：** 将 PCB 板的安装孔与框架上的安装孔对齐。
- **固定框架：** 用四颗 **M2 螺丝**将框架部件紧固到 PCB 板上。
- **固定适配板：** 将适配板放到框架背面预留的螺丝柱上，再用两颗 **M2 螺丝**将其固定。
口袋版 SNES 手柄的组装就完成了！接下来我们看看这个项目的代码。
## 第十步：代码
本项目使用的代码非常简单：
```cpp
#include "Adafruit_TinyUSB.h" // 包含USB通信库
#include <Adafruit_NeoPixel.h> // 包含NeoPixel LED控制库
// === 设置 WS2812 LED ===
#define LED_PIN 16 // LED连接在GPIO16
#define NUM_LEDS 1 // 只有1个LED
Adafruit_NeoPixel pixel(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); // 创建NeoPixel对象
// === 设置游戏手柄 ===
#define NUM_BUTTONS 12 // 总共12个按钮
const uint8_t buttonPins = { // 按钮连接的GPIO引脚号
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
};
// 定义USB HID报告描述符 (12个按钮的游戏手柄)
uint8_t const hid_report_descriptor[] = {
0x05, 0x01, 0x09, 0x05, 0xA1, 0x01, 0x15, 0x00,
0x25, 0x01, 0x35, 0x00, 0x45, 0x01, 0x75, 0x01,
0x95, 0x0C, 0x05, 0x09, 0x19, 0x01, 0x29, 0x0C,
0x81, 0x02, 0x75, 0x01, 0x95, 0x04, 0x81, 0x03,
0xC0
};
Adafruit_USBD_HID usb_hid; // 创建USB HID对象
uint8_t report = {0}; // 存储按钮状态报告的数组 (2字节 = 16位)
void setup() {
// 1. 配置按钮引脚为上拉输入模式
for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {
pinMode(buttonPins, INPUT_PULLUP);
}
// 2. 初始化NeoPixel LED
pixel.begin(); // 启动LED
pixel.setBrightness(50); // 设置亮度为50 (范围0-255)
pixel.show(); // 初始状态关闭LED
// 3. 配置USB HID (游戏手柄)
usb_hid.setReportDescriptor(hid_report_descriptor, sizeof(hid_report_descriptor)); // 设置报告描述符
usb_hid.setPollInterval(2); // 设置轮询间隔(毫秒)
usb_hid.begin(); // 启动USB HID
// 4. 等待USB连接成功
while (!USBDevice.mounted()) delay(10);
}
void loop() {
// 1. 限制执行频率：每10毫秒运行一次
static uint32_t last = 0; // 记录上次运行时间
if (millis() - last < 10) return; // 如果不到10ms就跳过
last = millis(); // 更新上次运行时间
// 2. 清除按钮状态报告
report = 0; // 清零报告字节0
report = 0; // 清零报告字节1
bool anyPressed = false; // 记录是否有按钮被按下
// 3. 读取所有按钮状态
for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {
if (digitalRead(buttonPins) == LOW) { // 如果按钮按下(引脚变低电平)
// 计算该按钮在报告中的位置：i/8确定字节索引, i%8确定位索引
report |= (1 << (i % 8)); // 将该按钮对应的位置1
anyPressed = true; // 标记有按钮被按下
}
}
// 4. 更新LED状态：如果有按钮按下则亮紫色，否则关闭
if (anyPressed) {
pixel.setPixelColor(0, pixel.Color(255, 0, 255)); // 设置LED为紫色 (R=255, G=0, B=255)
} else {
pixel.setPixelColor(0, 0); // 关闭LED (颜色值为0)
}
pixel.show(); // 应用LED颜色更改
// 5. 通过USB HID发送按钮状态报告给电脑
usb_hid.sendReport(0, report, sizeof(report));
}
```
**代码解释：**
这段代码的核心是使用 Adafruit TinyUSB 库将 RP2040 配置成一个 **USB HID 游戏手柄**。同时，我们还加入了控制 WS2812B LED 的代码，在按键按下时提供视觉反馈。
```cpp
#include "Adafruit_TinyUSB.h"
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
```
- 开头引入必需的库：`Adafruit_TinyUSB` 负责 USB 通信，`Adafruit_NeoPixel` 负责控制 WS2812B LED。
```cpp
#define LED_PIN 16
#define NUM_LEDS 1
Adafruit_NeoPixel pixel(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
```
- 定义连接到 **GPIO16** 的单个 **WS2812 LED**。
- 创建一个 **Adafruit NeoPixel 对象** `pixel` 来管理这个 LED。
```cpp
#define NUM_BUTTONS 12
const uint8_t buttonPins = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11};
```
- 定义 **12 个按钮**，它们分别连接到 GPIO 引脚 **0 到 11**。这些引脚用于读取玩家的按键输入。
```cpp
uint8_t const hid_report_descriptor[] = { ... };
```
- 定义 **USB HID 报告描述符**，描述这是一个 **12 按钮的游戏手柄**。这告诉电脑如何理解从手柄发过来的数据，即哪些按钮被按下了。
```cpp
Adafruit_USBD_HID usb_hid;
uint8_t report = {0};
```
- `usb_hid`：初始化 USB HID 对象进行通信。
- `report`：一个数组（2字节=16位），用于**存储当前被按下的按钮状态**。
```cpp
void setup() {
// 1. 配置按钮引脚 (上拉输入模式)
for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {
pinMode(buttonPins, INPUT_PULLUP); // 设置为上拉输入：默认高电平(松开)，按下时变低电平
}
// 2. 初始化NeoPixel LED
pixel.begin(); // 启动LED
pixel.setBrightness(50); // 设置亮度(0-255)
pixel.show(); // 初始关闭LED
// 3. 配置USB HID (游戏手柄)
usb_hid.setReportDescriptor(hid_report_descriptor, sizeof(hid_report_descriptor)); // 设置报告格式
usb_hid.setPollInterval(2); // 设置电脑查询手柄状态的频率(毫秒)
usb_hid.begin(); // 启动USB HID功能
// 4. 等待USB连接成功
while (!USBDevice.mounted()) delay(10); // 循环等待直到USB被电脑识别
}
```
- **1. 初始化按钮：** 每个按钮引脚配置为**上拉输入 (INPUT_PULLUP)**。这意味着按钮**松开时**，引脚读到的是**高电平 (HIGH)**；按钮**按下时**，引脚通过内部电阻被拉到**低电平 (LOW)**。
- **2. 初始化 LED：** 启动 WS2812B LED，设置初始亮度为 50（范围 0-255），并确保 LED 初始状态是关闭的。
- **3. 配置 USB HID：** 设置之前定义的**报告描述符**（告诉电脑这是一个游戏手柄），设置**轮询间隔**（电脑询问手柄状态的频率），然后**启动 USB HID 功能**。
- **4. 等待 USB 连接：** 循环等待，直到电脑成功识别并挂载了这个 USB HID 设备，确保通讯正常。
```cpp
void loop() {
// 1. 限制执行频率：每10毫秒运行一次主循环
static uint32_t last = 0; // 存储上次运行loop的时间点
if (millis() - last < 10) return; // 如果距离上次运行还不到10ms，直接返回(不执行后面代码)
last = millis(); // 更新上次运行时间为当前时间
// 2. 清除按钮状态报告
report = 0; // 清零报告字节0
report = 0; // 清零报告字节1 (共16位，对应12个按钮)
bool anyPressed = false; // 标志位，记录本轮是否有按钮被按下
// 3. 读取所有按钮状态
for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {
if (digitalRead(buttonPins) == LOW) { // 如果检测到引脚是低电平(按钮按下)
// 计算该按钮在report数组中的位置：
// i / 8 => 确定该按钮状态存储在report还是report (0-7在report, 8-11在report)
// i % 8 => 确定在该字节中的第几位(0-7)
report |= (1 << (i % 8)); // 将该按钮对应的比特位置1 (|= 按位或操作, << 左移操作)
anyPressed = true; // 设置标志位为true，表示有按钮按下
}
}
// 4. 根据按键状态更新LED
if (anyPressed) {
pixel.setPixelColor(0, pixel.Color(255, 0, 255)); // 如果有按钮按下，设置LED为紫色 (R=255, G=0, B=255)
} else {
pixel.setPixelColor(0, 0); // 如果没有按钮按下，关闭LED (颜色值0)
}
pixel.show(); // 将颜色设置应用到LED上
// 5. 发送按钮状态报告给电脑
usb_hid.sendReport(0, report, sizeof(report)); // 发送报告ID 0，内容为report数组，长度为2字节
}
```
- **1. 限制执行频率：** 使用 `millis()` 计时确保 `loop()` 函数的核心逻辑大约每 10 毫秒运行一次，避免不必要的频繁更新占用资源。
- **2. 清除报告：** 每次循环开始时，将存储按钮状态的 `report` 数组清零（两个字节都设为 0），并重置 `anyPressed` 标志为 `false`。
- **3. 读取按钮状态：** 遍历所有 12 个按钮：
- 检查对应 GPIO 引脚是否为 `LOW`（低电平，表示按钮被按下）。
- 如果按下，计算该按钮在 `report` 数组中的位置（哪个字节的哪一位），并将该位置设为 `1`。
- 同时将 `anyPressed` 标志设为 `true`。
- **4. 更新 LED 反馈：** 检查 `anyPressed` 标志：
- 如果有按钮被按下，将 WS2812B LED 设置为**紫色 (R=255, G=0, B=255)**。
- 如果没有按钮被按下，则关闭 LED (`0`)。
- 调用 `pixel.show()` 将颜色更改实际应用到 LED。
- **5. 发送报告：** 调用 `usb_hid.sendReport()` 函数将包含当前按钮状态的 `report` 数组（2 字节）发送给连接的电脑。电脑根据之前定义的报告描述符将其识别为游戏手柄输入。
## 第十一步：成果展示
这就是我们这个简单小巧项目的最终成果：**口袋版 SNES 游戏手柄**！这是一款极致便携的游戏手柄，专为玩怀旧复古游戏设计，布局类似经典的 SNES 手柄。它也能用来玩一些不需要左右摇杆的现代游戏。
这款设备的尺寸仅为 **74.5mm x 33.8mm x 11.5mm**，堪称最小的 DIY 游戏手柄之一。
**测试环节：**
1. **Broforce (Windows)：** 我们首先在 Windows 上玩《Broforce》。这是一款充满动作元素的横版“跑轰”游戏，包含战役、奖励关卡、可解锁角色以及激烈的敌人战斗。Broforce 的成员是一群受到老牌电影和电视剧角色启发的超硬汉动作英雄，他们的任务是打击恐怖分子并营救被囚禁的兄弟。每个角色都有独特的技能、武器和特殊攻击，适应各种战斗场景。这款游戏非常精彩又好玩，尤其适合多人联机。我们在游戏设置里映射好手柄按键，就能用它操控角色了。
2. **MAC Pi (树莓派/PPSSPP 模拟器)：** 我们把这个手柄用在我们之前的项目 **MAC Pi** 游戏机上。通过 Pi 应用安装了 **PPSSPP 模拟器**，然后玩了几款 PSP 游戏，包括《Dead or Alive Paradise》和《Moto GP 3》。同样地，我们需要先在模拟器设置里映射好手柄按键。两款游戏运行都很流畅，我们的迷你手柄完全能胜任！
**手感反馈：** 那些小型贴片按钮按起来手感不算特别软，但整体功能表现良好。
## 第十二步：未来展望
在下一个版本中，我特别想做的一项改进是：**用树莓派 PICO W 或 PICO 2W 替换掉 RP2040 Tiny**。因为它们集成了 **WiFi/蓝牙**功能，这样就完全**不需要 USB 线**了。这将使设备实现真正的无线便携。
目前，这个项目已经圆满完成了。所有必要的细节，包括 **PCB 文件、代码**以及其他相关信息，都已整理好并随项目提供。
**感谢您耐心把教程完整读完！**
祝大家制作愉快！
附件：
>英文链接：(https://www.instructables.com/Pocket-SNES/)
>英文作者：(https://www.instructables.com/member/Arnov+Sharma/)
>中文翻译：(https://mc.dfrobot.com.cn/home.p ... d=835443&do=profile)
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