(Лонг) Как я сделал свой игровой смартфон с OLED-дисплеем...
...из Samsung Galaxy S4 Mini и микроконтроллера.
Иногда у меня лежит душа позалипать в какую-нибудь классику с NES, SEGA или PSP. Однако особое место в моём сердечке занимает игровой телефон Nokia N-Gage, который, к сожалению, не получил достойного продолжения. Недавно я пересматривал свою коллекцию гаджетов и подумал: а что, если...
#лонг #diy #игры #консоли #гейминг
❯ Предисловие
Думаю многие мои давние читатели заметили, что как минимум четверть статей в моем блоге так или иначе касается игр и портативного гейминга. За три года существования блога, мы с вами успели не только поностальгировать и "потыкать" игровые гаджеты, но и отремонтировать часть из них, узнать как разрабатывались и работали «под капотом» игры и даже попытались спроектировать свою собственную игровую консоль!
Два года назад в моей голове уже возникала идея сделать «портативку» из полурабочего гаджета. В то время я хотел рассказать читателям о том, что многие старые девайсы можно использовать в качестве одноплатных компьютеров и HMI-панелей благодаря наличию пятачков с шиной UART на плате, с которой можно легко взаимодействовать в Android-приложениях! В качестве реального примера использования, я взял планшет с нерабочим тачскрином, подключил через UART геймпад, разработанный на базе RP2040 и написал программу, которая обрабатывает входящие пакеты и инжектит состояние кнопок напрямую в драйвер ввода:
По своей натуре, я - прожженный гик и у меня постоянно чешутся руки что-то запрограммировать и собрать самому. Недавно я осматривал свою коллекцию гаджетов и на полочке с смартфонами Samsung обнаружил легендарный Galaxy S4 Mini, который мне когда-то дарил один из читателей. У смартфона отсутствовала задняя крышка, средняя часть корпуса была немного ободрана, однако несмотря на почтенный возраст в 12 лет, смартфон продолжал нормально работать и даже AMOLED-матрица у него ничуть не выгорела!
И тут в моей голове что-то щёлкнуло: я вспомнил, что S4 Mini — смартфон с довольно неплохим железом для эмуляторов и очень крутым даже по современным меркам AMOLED дисплеем. На моей памяти, в мире не выходило ни одного серийного игрового телефона в монолитном корпусе с OLED-матрицей, а тут ещё рядом лежал оригинальный N-Gage, который я недавно купил в утиле и восстановил после воды. Я взвесил все за и против, прикинул схему и конструктив будущего устройства и принялся мастерить...
Перед тем как начать работу, нам необходимо определится с тем что нам нужно будет сделать для реализации такого гаджета на практике:
- В первую очередь, нам необходимо продумать как геймпад будет общаться с нашим устройством. За исключением моего хака с UART'ом, у нас есть два варианта: первый — микроконтроллер выполняет роль USB-HID устройства (прикидываясь клавиатурой) и подключается к OTG-хосту гаджета. Среди плюсов этого подхода можно выделить низкую задержку, однако минусов гораздо больше. Например, далеко не все старые устройства поддерживают OTG и могут быть проблемы с реализацией одновременной работы USB-хоста и зарядки (зависит от реализации OTG в каждом конкретном устройстве). А второй вариант — это Bluetooth-HID, который работает почти с любыми Android устройствами, однако потребляет чуть больше энергии и может иметь небольшой инпут-лаг.
После расследования выяснилось, что у S4 Mini OTG нет, а значит остается лишь один вариант — Bluetooth. Среди дешевых микроконтроллеров с BT выделяется лишь ESP32, который стоит буквально три пачки доширака. Его мы с вами и выберем. - Далее нам необходимо придумать внешний вид устройства. Изначально мне хотелось, чтобы гаджет по форм-фактору и эргономике напоминал оригинальный N-Gage. Но поскольку мне не хотелось делать слишком длинную «колбасу» и бюджета по свободному пространству в корпусе откровенно не хватало, мне пришлось пойти на некоторые ухищрения — например, расположить блок кнопок вертикально.
- Теперь самое сложное — смоделировать более-менее адекватный корпус и подогнать детали так, чтобы их хоть как-то можно было скомпоновать и закрепить. Я в 3D-печати новичок, а в вопросах проектирования корпусов — вообще неотесанный селюк, поэтому мне оставалось лишь смоделировать в блендере выпуклый меш, импортировать в TinkerCad и затем CSG'шками вырезать в нём дыр... отверстия.
- И самое легкое — написать прошивку для микроконтроллера, а затем развести платы длля обе стороны геймпада, дабы наши кнопочки не просто прикольно щелкали, но и на практике работали в системе!
Звучит как приключение на 5 минут. Но вот как на практике? Давайте посмотрим!
❯ Моделируем корпус
В первую очередь я сел моделировать корпус устройства и прикидывать его размеры. В TinkerCad'е CSG'шками сделать корпус по референсу проблематично (по крайней мере для меня), поэтому я решил смоделировать основу в блендере. Я взял рендеры N-Gage с фронтальной части, установил камеру в ортографическую проекцию и принялся повторять контур корпуса оригинального телефона:
Далее я создал грани на одной половинке корпуса и отзеркалил их по горизонтали. Таким образом, корпус получился симметричным (кривым) с обеих сторон.
Затем я убрал лишнее ребро посередине и вытянул корпус по оси Z с помощью инструмента Extrude. Теперь это напоминает поделку семиклассника на уроке обращения с рубанком:
После этого я использовал инструмент Inset faces, дабы создать новые грани на плоскости и вытянуть из них фронтальную часть корпуса. Таким образом, мы получаем ровные и мягкие стенки, которые затем можно смягчить ещё больше с помощью модификатора Bevel:
Однако сейчас геометрия нашего корпуса полая, внутри неё ничего нет. Чтобы добавить внутренние стенки, мы воспользуемся модификатором Boolean (CSG) в блендере: дублируем геометрию нашего корпуса, немного уменьшаем её по оси X и Y (чем меньше дубль, тем толще будут стенки), и затем сдвигаем немного вниз:
Затем на основном объекте корпуса добавляем модификатор Boolean, устанавливаем режим Difference, ставим дубль в качестве второго объекта и жмём Apply. Теперь у нашего корпуса внутри отнюдь не пустота!
Далее экспортируем основу корпуса в формат STL, импортируем её в TinkerCad и берём линейку в зубы. Пора замерять габариты нашего устройства и размер дисплея. Поскольку S4 Mini уж очень скругленный, я аппроксимировал его размеры до прямоугольника (ни слово про мыло!):
Далее я расположил ещё один прямоугольник размером с дисплей, который и вырежет нам необходимое пространство:
На этом подготовка болванки корпуса закончена, переходим к реализации геймпада.
❯ Геймпад
Изначально я решил распаять все кнопки геймпада на двух макетных платах — первая с «стрелками» будет установлена слева, вторая с кнопками действий — справа. Поскольку место в корпусе сильно ограничено, текстолит я решил распилить: для этого я сделал насечки канцелярским ножом и затем руками отломал ненужные части.
В качестве кнопок я решил использовать обычные DIP-микрики, поскольку в моем городе не было ни плоских SMD-кнопок, ни тем более мягких мембранных. Ну а ещё они прикольно щёлкают. Я, как пользователь механической клавиатуры, гарантирую это!
Для реализации обработки кнопок есть несколько подходов:
- «В лоб»: самый простой и самый подходящий для геймпадов. На один входной GPIO микроконтроллера вешается подтягивающий резистор и кнопка, которая коммутирует массу. Главный плюс такого подхода — возможность зажимать сколько угодно кнопок одновременно, а если ножек на микроконтроллере не хватает, то всегда можно использовать сдвиговый регистр!
- На резисторах: требует наличия ADC в микроконтроллере. Принцип работы заключается в том, что на выходе каждой кнопки установлен резистор определенного номинала. В прошивке микроконтроллера опытным путем задается диапазон значений ADC, который соответствует нажатой кнопке. Такой подход иногда используется в планшетах для обработки кнопок по типу включения, громкости и т.п.
- Матричный: используется в клавиатурах, в том числе и в телефонах. Позволяет реализовать 16-кнопочную клавиатуру всего с 8-ю сигнальными линиями, однако с таким подходом нельзя нажимать сразу несколько кнопок кнопок в одной «линии» одновременно. Этим и страдали некоторые китайские игровые консоли, на которых нельзя было одновременно зажать вверх и влево или A и B!
Поскольку у нас всего 10 кнопок, мы выберем первый подход. Для этого мы подведем общую массу к нашей макетке, от которой пустим перемычки (дорожки) к каждой кнопке:
А с другой стороны подпаяем провода, которые пойдут на входы в наш микроконтроллер.
Далее я снял размеры платы и замерил расстояние между кнопками, дабы накидать макет в CAD'е:
И только после этого я наконец-то напечатал первую примерочную болванку, в которой всё помещалось идеально! Время от раздумий до первой болванки — ~5-6 часов:
❯ Стыкуем корпус
Если с моделированием корпуса у меня проблем не возникло, то стыковка деталей — вопрос совершенно другой, особенно для человека без опыта проектирования корпусов. В какой-то момент времени, я даже впал в тильт и сломал парочку болванок, хотя планировал их оставить в коллекции на память. Что-ж, будет памятью о моей вспыльчивости.
Сначала я решил сделать толкатели кнопок. Для «стрелок» я решил сделать классическую крестовину в духе GBA, а кнопки действий - цилиндрическими. Здесь в целом ничего сложного: подгоняем размеры толкателей к размерам кнопок, делаем у них небольшую выемку снизу, которая будет «шляпкой» для самих кнопок, а также добавляем «юбку» по бокам как ограничитель, дабы они не выпадали из корпуса:
С крестовиной всё чуточку сложнее: сначала я сделал монолитную в стиле GameBoy, однако из-за того что расстояние между кнопками относительно маленькое, при нажатии на стрелку иногда нажималась и вторая кнопка. Поэтому я решил её разделить на несколько частей, оставив характерный рельеф посередине для лучшей тактильности. Я печатал много разных вариантов: подгонял зазоры для уменьшения люфта и добавлял тактильные выемки, однако остановился на классическом варианте:
Далее встал вопрос как закрепить плату с геймпадом с обратной части корпуса. Я долго думал и прикидывал варианты: хотел и саморезы вкручивать, и гайки вплавлять, но потом придумал что самым лучшим и надежным решением будут салазки приклеенные на дихлорэтан, которые при желании можно снять не ломая корпус, но которые будут хорошо выдерживать постоянное усилие со стороны игрока!
Когда зазоры были подогнаны, я принялся моделировать заднюю крышку. Дабы она не выбивалась из общего стиля, я сделал её из фронтальной части корпуса: продублировал, отменил все CSG-операции характерные для основного корпуса и обрезал стенки одним большим кубиком.
Далее я пошёл в ближайший «хозяйственный», попросил самые маленькие саморезы с острой шляпкой и добавил под них места в корпусе, при этом не нарезая резьбу на самой модели.
Затем я сделал выемки для саморезов на крышке и отверстия для динамика.
После этого встал вопрос с разъемом зарядки. Я решил использовать Type-C: заказал несколько разъемов на плате, обмерил их и сделал нишу в корпусе с небольшой поддержкой:
Ну что-ж, корпус более-менее готов. Теперь можно нарезать модель в слайсере...
И напечатать! Как по мне, получилось очень даже стильно. Да, кто-то скажет, мол, видно, что это колхоз, а не Industrial-grade, но как по мне для самоделки вполне на уровне!
На этом разработка корпуса наконец-то закончена!
❯ Пишем прошивку
Теперь когда корпус нашего устройства готов и элементы в нём более-менее стыкуются, можно перейти к написанию прошивки. Как я уже говорил ранее, в качестве микроконтроллера я решил выбрать ESP32 благодаря копеечной цене и наличию неплохого BT-стека:
В качестве основы, я взял официальный сэмпл BT HID-устройства с гитхаба Espressif. Собрав прошивку и протестировав что всё работает нормально, я принялся адаптировать её под свои задачи. Сначала я написал код для опроса кнопок: устанавливаем GPIO в режим входа с подтяжкой к высокому уровню, затем по запросу итерируемся по массиву с GPIO и заносим состояние кнопок в отдельный массив:
У любых механических кнопок есть особенность, которая называется дребезг. Случается она в момент когда мы отпускаем кнопку, но при этом размыкатель ещё не полностью поднялся в крайнее верхнее положение. Бороться с этим можно по разному, самый простой способ — программный, когда мы обновляем состояние кнопки только по прошествии определенного времени (измеряемое в миллисекундах) с момента прошлого апдейта.
Все HID-устройства описываются специальным дескриптором, однако формат пакетов с репортами о состоянии устройства у них очень сильно отличается: мышки передают ускорение по осям X и Y, а также состояние кнопок, клавиатуры передают до 8-нажатых клавиш одновременно (наследие PS/2), а у геймпадов целый ворох стандартов (DirectInput, XInput... чего только нет. Кстати именно поэтому внешние геймпады обычно имеют несколько режимов). Алгоритм отправки репортов очень прост: 60 раз в секунду проверяем состояние кнопок, если какие-то нажаты — заполняем буфер с нажатыми клавишами и затем отправляем репорт хост-устройству.
Вуаля! Всё работает идеально:
❯ Доводим ПО смартфона
Мы уже почти дошли до финала, осталось лишь чуть-чуть доработать прошивку смартфона! Для этого, его сначала необходимо рутировать: ставим CWM через Odin и устанавливаем SuperSU!
Поскольку кнопку включения я не предусмотрел в корпусе, было решено реализовать автостарт устройства от зарядки — прямо как на айфоне! Большинство смартфонов при отображении анимации зарядки на самом деле загружают ядро Linux и запускают специальную программу. Если эту программу подменить на перезагрузку в обычный режим — мы получим автостарт устройства!
На смартфонах Samsung за это отвечает бинарник /system/bin/lpm или же /system/bin/playlpm. Изначально я хотел сделать жёсткую ссылку на программу reboot, которая не работала пока не были запущены какие-то Samsung'овские службы. Затем я узнал что есть возможность напрямую направить ядру запрос о перезагрузке устройства с помощью sysrq.
Далее был написан простенький скрипт:
Который тоже не работал. И я понял что lpm нужно подменять другой самопальной программой. Так была написана и собрана с помощью NDK вот такая мелкая утилита, с которой уже всё заработало:
Далее необходимо было решить вопрос с виртуальными кнопками: поскольку в корпусе консоли виден только дисплей смартфона без кнопки Home, нам нужен был способ как-то управлять системой. Для этого было достаточно лишь пропатчить build.prop и добавить qemu.hw.mainkeys=0:
❯ Аппаратные доработки
Далее необходимо было решить вопрос с зарядкой. Как я уже говорил выше, было решено использовать Type-C. Я заказал разъём на плате, разобрал смартфон и кинул перемычки с цепи питания и сигнальных линий на разъем.
Теперь нужно решить задачу запитывания микроконтроллера. ESP32 в режиме BLE кушает целые 130мА (что очень много, телефоны нулевых кушали меньше с учетом параллельно работающего GSM-тракта!) в режиме активной передачи данных. Поскольку на самой плате с ESP32 используется LDO AMS1117 с высоким dropout-напряжением в 1.2В, для использования с обычным литий-ионным аккумулятором необходимо было использовать ULDO с дропаутом в ~0.3В...
...но зачем, если контроллер питания смартфона — буквально и есть многоканальный DC-DC преобразователь, который выдаёт сразу несколько различных напряжений:
- 0.8В-1.2В VCore, это шина питания ядер процессора. Именно на ней работает вся или почти вся внутренняя логика системы на кристалле.
- 1.2V-1.8V VRef - обычно это референсное напряжение для работы процессора с внешней логикой. Впрочем, с таким напряжением может быть и одна из шин питания для каких-то модулей (например камеры), это зависит от платформы.
- 3.3V - Ну, здесь всё очевидно. 3.3В — одно из самых распространенных напряжений в микроэлектронике и может использоваться в широком спектре модулей. Например оно может использоваться для запитки модуля камеры, различных датчиков, контроллера тачскрина, усилителя и т.п. Именно эта шина питания в идеале нам и нужна.
Однако 3v3 уровни могут быть и логическими. Крайне не рекомендую вешать нагрузку аж в целых 130мА на какую-нибудь цифровую линию, есть неиллюзорный риск спалить процессор или контролер питания. Лучше всего брать эту шину питания с здоровых decoupling-конденсаторов, однако имейте ввиду что шина может быть нагружена другими устройствами и вы со своей нагрузкой в сотню миллиампер можете увести КП в защиту!
В случае с S4 Mini у меня был сервис-мануал с схемой, где я принялся искать нужное напряжение. Изначально у меня была возможность взять 3.3В с питания eMMC, однако по ходу изучения схемы я заметил ещё одну подходящую шину питания — 3P0 (т.е 3В ровно), которая питает Wi-Fi, ИК-порт и тачскрин.
Я решил заглянуть в даташит на микроконтроллер и убедился, что он умеет работать в том числе и при 3В на входе:
Тем не менее, 3В — это пороговое напряжение при котором может работать чип. Если питание нестабильное и проседает, то МК либо зависнет, либо упадет в ресет. Однако я был уверен что на выходе DC-DC с КП смартфона точно должно быть всё нормальным. Я быстренько вывел перемычку и запитал МК буквально «в воздухе», проверил что всё работает стабильно, а затем припаял несколько жилок с LVDS-кабеля и закрепил УФ-маской:
Ну что ж, пришло время собрать всё воедино! Не без помощи дихлоэретана салазки были установлены, платы геймпада вставлены, все питания припаяны, а резьба в задней крышке была нарезана.
И вот, наконец-то моё детище собрано! Давайте же посмотрим что я там насобирал!
❯ Тестируем
Одним из основных критериев будущего игрового смартфона была конечно-же возможность сохранить функционал телефона. Иными словами, мне очень хотелось чтобы девайс повторял концепцию N-Gage и действительно в себе совмещал возможность звонить и комфортно играть в игры!
В целом, я считаю что у меня это вполне получилось. Помимо функций самой звонилки, Android 4.4 всё ещё вполне может порадовать владельца базовым серфингом сети (большинство сайтов не откроется... ну нам и опеннета хватит!) и мессенджерами - здесь пока ещё работают и Telegram, и ВК в лице в Kate Mobile:
Однако есть определенный нюанс... я взял GT-I9190 - т.е односимочную 3G-версию S4 Mini. А как известно, 3G в России уже практически не используется, поэтому вне Wi-Fi придется ограничится EDGE :)
Вчера я сделал анонс статьи на Пикабу и несколько читателей задали резонный вопрос: это же буквально смартфон 2013 года, он же, на первый взгляд, ничего не умеет в современных реалиях. Однако спешу вас заверить, что у S4 Mini под капотом как раз всё не так уж и плохо! 400'ого Snapdragon'а хватает для большинства мобильных игр тех лет, не говоря уже об эмуляторах. При этом в отличии от старших 600'ых снапов (тогда 800'ый ещё не вышел), он не слишком сильно греется и более лоялен к и без того не самому объёмному аккумулятору!
Однако про опыт использования смартфонов прошлых лет в современных реалиях я уже не раз рассказывал в других своих статьях, поэтому предлагаю перейти к тесту игр. И начнем мы с вами с эмулятора NES.
Когда запускаешь любимый Super Mario Bros на офигенной AMOLED-матрице, то сразу понимаешь что весь проект был затеян точно не зря. После отключения линейного фильтра и растягивания картинки на весь экран, то диву даешься какие тут сочные цвета - не как на ЭЛТ-телевизоре, но тоже очень годно!
Тоже самое касается и Batlte City. В целом, какого-то ощутимого инпут-лага нет (учитывая что мы играем на эмуляторе), всё работает очень шустро и играется бодро:
Давайте же перейдем к чему-то ещё более пестрому и "графонистому" - а именно к Sega Mega Drive с оригинальным Соником! Здесь игра точно также летает, звук не хрипит, а картинка выглядят максимально приятной. Когда-то AMOLED-матрицы Samsung ругали за PenTile и немного не естественную цветовую схему... но в эмуляторах она как-будто какой-то шарм придает.
Далее я опробовал DOS'овскую классику - Wolfenstein 3D. Помимо "вольфа", я хотел добавить в тесты также и Quake... но порты попались кривые и не запускались. Очевидно что игра, которая шла даже на 286'ом, будет отлично летать на S4 Mini:
Ну и нативные игрушки здесь тоже работают неплохо. В какие-нибудь аркады типа Angry Brids, Fruit Ninja или Asphalt можно поиграть с большим удовольствием!
❯ Заключение
Вот такой незамысловатый и полезный девайс у нас с вами сегодня получился. Вы можете собрать такой и сами, схему, код прошивки и исходные файлы моделей я выкладываю на своём Github. Корпус можно "пощупать" в TinkerCad.
Сама разработка заняла всего 7 дней, большая часть времени ушла на подгонку деталей. Да, эту неделю я определенно точно почти не спал и даже один раз попсиховал. Однако все время разработки мне было дико весело и интересно. Ну, а что ещё пареньку в 23 года то нужно, кроме как писать код, копаться в девайсах и ТАЗах!?
Жду ваше мнение о моей самоделке в комментариях! А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет, подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я публикую бэкстейджи статей, иногда полезные посты ну и немножечко щитпоста! Если вам интересны ролики на ту же тематику — предлагаю подписаться на мой YouTube-канал.
Если вдруг статья вам понравилась и вы хотели бы помочь мне материально - это можно сделать нажав на кнопку с рублем в комментариях ;)
Опрос общественного мнения - чуть ниже. А пока важное объявление:
Для подготовки статей с разработкой самопальных игрушек под необычные устройства, объявляется розыск телефонов и консолей! В 2000-х годах, китайцы часто делали дешевые телефоны с игровым уклоном — обычно у них было подобие геймпада (джойстика) или хотя бы две кнопки с верхней части устройства, выполняющие функцию A/B, а также предустановлены эмуляторы NES/Sega. Фишка в том, что на таких телефонах можно выполнять нативный код и портировать на них новые эмуляторы, чем я и хочу заняться и написать об этом подробную статью и записать видео! Если у вас есть телефон подобного формата и вы готовы его задонатить или продать, пожалуйста напишите мне в Telegram (@monobogdan) или в комментарии. Также интересуют смартфоны-консоли на Android, там будет контент чуточку другого формата :)
Кроме того, я ищу подделки на брендовые смартфоны 2009-2015 года выпуска. Многие из них работают на весьма интересном железе и об их моддинге я бы мог сделать интересный контент. Особо разыскиваются подделки Apple iPhone и HTC (по типу HD2 и Touch Diamond 2) на Windows Mobile и Android, а также Samsung Galaxy. Также представляют моддерский интерес первые смартфоны Xiaomi из серии Mi, Meizu (ещё на Exynos) и телефоны Motorola на Linux (например, EM30, RAZR V8, ROKR Z6, ROKR E2, ROKR E5, ZINE ZN5, о которых я хотел бы подготовить отдельные статью и видео, поскольку они работали на очень мощных для своих лет процессорах, поддавались серьезному моддингу и были способны запустить даже Quake.
Большое спасибо читателям и зрителям за подгоны, без вас контент бы не выходил!