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[教程] 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

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 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。

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 PCBWAY。

第五步：PCB 组装 - 贴片按钮安装

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。
放置按钮： 用防静电镊子拾取并安装所有贴片微动按钮。
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

安装开关： 将插件式 (THT) 开关从电路板的底面插入。
焊接引脚： 在电路板的顶面用电烙铁焊接开关的引脚。
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。

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。
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。
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：

#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[NUM_BUTTONS] = { // 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[2] = {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[i], 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] = 0; // 清零报告字节0
  report[1] = 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[i]) == 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[i / 8] |= (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。

#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。

#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。

#define NUM_BUTTONS 12
const uint8_t buttonPins[NUM_BUTTONS] = {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。

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。

Adafruit_USBD_HID usb_hid;
uint8_t report[2] = {0};

usb_hid：初始化 USB HID 对象进行通信。
report[2]：一个数组（2字节=16位），用于存储当前被按下的按钮状态。

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[i], 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。

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] = 0; // 清零报告字节0
  report[1] = 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[i]) == 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[0]还是report[1] (0-7在report[0], 8-11在report[1])
      // i % 8 => 确定在该字节中的第几位(0-7)
      report[i / 8] |= (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：

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。
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。