Получив заряд эндорфинов от успешной работы эмулятора «Ну, погоди!» и вдохновившись ценными советами по улучшению эмулятора в комментариях к своей предыдущей статье, я приступил к следующему этапу — созданию полноценного устройства, готового к использованию в повседневных условиях. Этот процесс оказался не менее захватывающим, чем разработка прототипа эмулятора.

Теперь у меня сформировалось более полное понимание экосистемы разработчиков DIY-устройств, а именно: какими программами можно пользоваться и чёткое понимание этапов разработки.

Заранее хочу предупредить, что разводку на печатной плате я по-прежнему не сделал, а ограничился перфорированной макетной платой. Но чтобы «Ну, погоди!» выглядело более эстетично, поместил её в пластмассовый корпус. Если у вас нет 3D-принтера, то возможен более-менее эстетичный вариант без корпуса — далее в статье я приведу фотографию, как это можно сделать.

Получить идеальное устройство невозможно, поэтому постоянно приходится искать компромиссы. Часть неверных решений, которые ты принял на начальном этапе, могут оказать значительное влияние на конечное устройство. Чтобы не возвращаться и всё не переделывать, нужно или сразу учитывать это в разработке, или искать компромиссные решения на поздних этапах.

В любом случае я получил бесценный опыт, а у меня на полке появилось ещё одно устройство, которым я реально пользуюсь.

Основное назначение многих моих статей — вызвать у читателя интерес к дальнейшему более глубокому изучению темы. Эта статья не является исключением, поэтому приведу пару видео с работающим устройством.

3D модели, файлы для схемы и печатной платы вы можете найти в моих репозиториях nu-pogodi-case и nu-pogodi-pcb.

Для лучшего понимания советую ознакомиться с моей предыдущей статьёй, где я рассказывал, как реализовать сам эмулятор.

Я не ставил целью придерживаться определённых стандартов, а просто руководствовался здравым смыслом и удобством разработки. Надеюсь, у меня получилось это задокументировать, и по приведённой информации желающие смогут собрать свою «Ну, погоди!», которую можно будет поставить на стол, показать друзьям, ну и, конечно, поиграться.

Хочу предупредить, что ввиду линейности изложения материала в статье, частично теряется итеративность, которая является основой разработки практически любых систем. Но думаю, вы тоже набьёте шишек, и у вас тоже будет несколько итераций.

Хочу выразить благодарность интернет-сообществу, особенно @kaktuc, @tigreavecdesailes, @tecnocat и @IgorR76 за то, что щедро поделились своими знаниями. Упоминаю их в порядке нашего знакомства.

IgorR76 является автором эмулятора «Ну, погоди». Эмулятор Игоря является первоосновой эмуляторов Game & Watch в MAME, а метод получения прошивок для Game & Watch и Электроника ИМ 02 был получен Игорем при работе над его эмулятором.

Tecnocat — основной контрибьютор в проект прошивки для ZX Spectrum tecnocat для Мурмулятора и не только.

Изменения в схеме «Ну, Погоди» для поддержки работы от аккумулятора

Как организовать питание Raspberry Pico, хорошо описано в Raspberry Pi Pico Datasheet: An RP2040-based microcontroller board в 4-й главе.

Использование аккумулятора в устройстве, как правило, подразумевает добавление кнопки включения, а также диода для исключения обратного тока из аккумулятора к внешнему источнику питания.

Для организации работы от аккумулятора я использовал контроллер заряда на базе микросхемы TP4056. Как я понимаю, китайская электронная промышленность выпускает множество таких контроллеров, существуют варианты с micro USB разъёмом и Type C. Маркировка на плате контроллере может различаться. Может быть надпись 4056, может — HW-373, а может — и обе надписи.

У контроллера заряда есть USB-разъём. Изначально я не планировал его использовать, а использовать USB-разъём самого Pico, так как питание контроллеру заряда можно подать и на контактные площадки от пина VBUS Pico, но потом, столкнувшись с особенностями китайского клона Raspberry Pico (у китайского клона нет вывода VBUS ), решил использовать USB-разъём.

Аккумулятор к печатной плате я подключил следующим образом: на плате установил угловой PLS-разъём на два пина, а провода аккумулятора обжал при помощи кримпера и установил Dupont-разъём на два пина.

Использование JST-разъёма может и более надёжный вариант, но ввиду отсутствия такового я сделал как сделал.

Краткое введение в проектирование печатных плат

Спроектировать печатную плату гораздо проще, чем может показаться на первый взгляд. Естественно, такая плата будет отличаться от печатной платы, созданной профессионалом с многолетним стажем. Но в качестве своей поделки она вполне сгодится. Важно понимать ключевые сущности и термины.

Символ (Symbol): Графическое представление компонента в принципиальной схеме (например, значок резистора или транзистора).
Посадочное место (Footprint): Физическое расположение компонента на плате (пэды, отверстия, шелкография).
Нетлист (Netlist): Файл, описывающий соединения между компонентами, связующий схему и PCB.
Дорожка (Track): Проводящая линия на плате, соединяющая компоненты.
Пэд (Pad): Контактная площадка для пайки компонента.
Слой (Layer): Уровень платы (например, верхний слой, нижний слой, внутренние слои для многослойных плат).
Шелкография (Silkscreen): Слой с текстовыми и графическими обозначениями на плате.
Полигон (Zone/Fill): Заливка области медью (обычно для земли или питания).
Gerber-файлы: Стандартный формат файлов для производства печатных плат.
DRC/ERC: Проверки правил проектирования и электрических соединений.

Основная цель проектирования — получить печатную плату, которая выполняет нужные функции и соответствует заданным критериям.

Проектирование печатной платы я осуществлял в KiCAD. KiCAD является мультиплатформенной EDA-системой (Electronic Design Automation). Думаю, остальные EDA-системы похожи на неё, и, имея опыт проектирования в одной, можно работать и в другой.

Основные функции, которые предоставляет KiCAD:

1. Создание принципиальных схем.

2. Симуляция электронных схем.

3. Проектирование печатных плат.

4. Построение 3D-визуализации.

5. Обмен форматами с другими CAD/CAE/EDA-системами.

6. Работа с библиотеками символов.

7. Работа с библиотеками посадочных мест.

8. Создание спецификации.

9. Проверка электрических правил.

10. Проверка на соответствие правилам проектирования.

Если какой-то функционал отсутствует, его можно реализовать, используя скрипты или плагины.

Сначала строится принципиальная схема, которая определяет, какие электронные компоненты должны быть у электронного устройства, и как они связаны между собой.
Потом компоненты размещаются на печатной плате и соединяются дорожками. Соединение дорожками называется трассировкой. Если плата не удовлетворяет критериям, то изменяется размещение и дорожки трассируются заново. Иногда может потребоваться и изменение принципиальной схемы. Этот процесс итеративный и требует большого опыта в проектировании для получения печатной платы высокого качества.

На основе спроектированной печатной получают:

• Gerber-файлы — информация о токопроводящих дорожках, шелкографии, масках.

• Drill-файлы — для отверстий, если используются выводные компоненты.

• BOM-файл — спецификация, содержащая список используемых компонентов с их идентификаторами, характеристиками и количеством.

• Монтажную схему — то, как компоненты размещаются на плате.

3D-модель печатной платы с размещёнными на ней компонентами может использоваться в дальнейшем для построения 3D-модели корпуса.

Так как я решил использовать перфорированную макетную плату, Gerber и drill-файлы нам не понадобятся.

В EDA-системах электронный компонент обычно представлен тремя основными элементами:

1. Символ на принципиальной схеме — графическое изображение компонента, используемое при создании электрической схемы. Оно отражает функциональное назначение компонента и его электрические соединения (пины).

2. Посадочное место (footprint) — описание физического расположения контактных площадок и габаритов компонента на печатной плате. Это необходимо для правильного размещения и трассировки платы.

3. 3D-модель — трёхмерное изображение компонента, используемое для визуализации на печатной плате, проверки физической совместимости и экспорта в системы механического проектирования (например, для проверки корпуса устройства). Эти три элемента связаны между собой в библиотеке компонентов EDA-системы, чтобы обеспечить полное описание компонента для проектирования электроники.

Построение принципиальной схемы

В комментариях к предыдущей статье были замечания, что проект плохо задокументирован, часть из них я исправил в той статье. А в этой приведу принципиальную схему.

Разработка принципиальной схемы не составила большого труда, я просто взял за основу схему, начерченную во Fritzing.

Главное отличие от прежнего прототипа — игра стала автономной, так как я решил использовать аккумулятор. Это добавило дополнительные элементы и немного усложнило схему.

А ещё мне пришлось потратить немного времени на освоение KiCAD. Конечно, для полноценного освоения этой программы необходимо подробное изучение документации, просмотр нескольких туториалов, ну и просто приобретённый опыт.

Наверное, нельзя сразу построить электронную схему с первого раза, построение схемы — это итеративный процесс. Приведённая ниже схема получена мной после нескольких итераций, после того как были выявлены недостатки на более поздних этапах.

Я не соединял все компоненты на схеме, а разбил схему на части и связал эти части через метки. Мне кажется, такой подход более удобный. Я его подсмотрел на схемах, которые я изучал.

Больше всего труда мне составило разобраться, как правильно отобразить на схеме Pico и дисплей, которые вставляются в сокеты. Сложность заключается в том, что компонент должен отображаться в BOM и на 3D-модели и не должно быть ошибок Design Check Rules. Но в итоге подход был найден.

Спасибо [форуму KiCAD] (https://forum.kicad.info/) и разработчику библиотеки ki-lime-pi-pico. Для дисплея такой библиотеки я не нашёл, поэтому я создал и включил символы и посадочные места для него в свою библиотеку в проекте. Суть подхода в том, что для pico и экрана не создаются пины в схеме и контактные площадки на печатной плате. Они создаются для сокетов, которые помещаются на схему и плату.

Компоновки печатной платы

Я ограничился макетной платой 12x8 см с шагом 2.54 мм. Она позволила разместить Raspberry Pi Pico, дисплей, все кнопки и другие компоненты. Не исключаю, что моя компоновка не идеальна, но я стремился, чтобы готовое устройство максимально приближено напоминало оригинальную «Ну, погоди!».

Я не нашёл размеров макетной платы, поэтому замерял сам размеры на плате. Может, есть какие-то неточности, но плата встала в мой корпус. Возможно, китайские макетные платы могут отличаться размерами — я использовал такую.

Я оформил её в качестве посадочного места и поместил библиотеку. Контактные площадки с отверстиями я не делал, так как они мешают Design Rule Check и усложняют разводку и компоновку. Вместо них я нарисовал окружности на пользовательском слое, хоть и 3D-модель платы выглядит не так реалистично.

Для меня было открытием, что посадочные места, к примеру, тактовых кнопок, имеют шаг между выводами некратный 2.54 мм, поэтому пришлось немного подкорректировать посадочные места.

То, что у меня получилось, приведено ниже на рисунке.

Трассировка печатной платы

Так как устройство собиралось навесным монтажом, разводка дорожек как таковых не нужна, но нужно задокументировать, какой вывод с каким необходимо соединить. Если на основании электронной схемы строить печатную плату в KiCAD, программа отображает эти соединения в виде так называемым ratsnest. Но ratsnest отображается одним цветом, и, так как нет физических соединений, у нас будут ошибки Design Check Rules. Поэтому я использовал подход, описанный в Perfboard circuit design with Kicad.

Решение не лишено недостатков, например, если в реальности у нас могут пересекаться одноцветные провода, то в KiCAD у нас в этом случае будут ошибки Design Check Rules, так как KiCAD будет считать, что дорожки закорачиваются. Но это можно решить или проведя маршрут на другом слое или убрав пересечение.

Построение 3D-модели печатной платы

Изначально я считал, что построение 3D-модели печатной платы нужно только для красивой её презентации. Но позже я понял, зачем нужна 3D-модель. 3D-модель можно импортировать в CAD-систему (Solidworks, КОМПАС-3D, FreeCAD) и экспериментировать с формой корпуса, и расположением платы, находя ошибки проектирования на ранних стадиях.

В настоящее время энтузиастами создано множество трёхмерных моделей различных электронных компонентов, и мне не составило труда найти все, которые я использовал на плате. Часть уже была в составе установки KiCAD, остальные я нашёл на сайтах GRABCAD и 3D Content Central.

Небольшую сложность составило позиционирование 3D-моделей относительно посадочных мест. Я не нашёл в KiCAD средства, похожие на сопряжения в Solidworks.

Теперь можно уже увидеть, как будет выглядеть наша плата:

Создание спецификаций

Создание спецификации (Bill of Materials или BOM) добавляет элемент завершённости процессу проектирования печатной платы. Так как мы видим, из каких компонентов состоит печатная плата и в каком количестве, поэтому можем заказать необходимые компоненты, а также узнать стоимость всех компонентов платы.

Если бы мы изготавливали печатную плату сами или заказывали её на заводе, то были бы ещё этапы разработки, но я их не упоминаю в статье.

Пайка компонентов

Навесной монтаж хорош тем, что относительно просто подкорректировать ошибки проектирования, или быстро проверить, как работает определённая идея на практике. Правда схема, собранная таким образом, выглядит менее эстетично, чем на обычной печатной плате, не такая компактная и менее устойчивая к механическим воздействиям. Но, если вы поместите такую схему в распечатанный на 3D-принтере корпус, то часто сложно будет сказать, навесной монтаж использовался или нет.

Я выполнял навесной монтаж цветными китайскими проводами AWG 30, но хочется как-нибудь обзавестись проводом МГТФ и попробовать, как ведёт себя этот провод на практике.

Обратите внимание на то, что дисплей MSP2807 / MSP2806 запитывается от 3,3 В, поэтому рекомендуется пропаять перемычку на плате дисплея, чтобы он не использовал свой преобразователь напряжения.

Не забудьте её убрать, когда будете запитывать дисплей от 5 В. Перемычку я указал зелёным прямоугольником на фотографии.

Построение 3D-модели корпуса

Так как я хотел получить готовое устройство как можно скорее, я несколько раз слишком рано переходил к следующему этапу и печатал на 3D-принтере «сырые» корпуса с недостатками.

Построение 3D-модели корпуса требует навыков работы в CAD-системах. У меня был небольшой опыт работы с ними ещё со студенческих времён. Моя 3D-модель не является идеальной и содержит несколько ошибок проектирования, которые усложняют её модификацию при изменении требований. Но тем не менее я её распечатал и собрал готовое устройство.

Корпуса я начал строить с верхней части, в которую вставляются кнопки, и к которой крепится плата. Размеры платы определяют габаритные размеры самого корпуса, потом достаточно выполнить вырезы под кнопки и дисплей и добавить бобышки для крепления платы с отверстиями.

Также нужно спроектировать, как две части корпуса будут соединяться вместе. Здесь я не изобретал велосипед, а сделал так, как видел обычно на корпусах остальных устройств.

Остальные элементы корпуса, разработанные мной, служат или для декоративной цели (надписи) или для улучшения доступа (крышка для доступа к Pico) и крепления контроллера заряда (небольшое углубление и отверстие под type C).

Создание корпуса и экспериментирование с ним оказались очень увлекательным занятием. Я стал лучше понимать, почему так необычно выглядят корпуса изнутри.

Я извлёк уроки и в другом устройстве, которое я планирую осветить в следующих статьях, этих ошибок уже нет. Вам же я предлагаю уже готовые STEP-файлы, которые вы можете распечатать на 3D-принтере.

Если у вас нет возможности распечатать корпус, можно использовать с межплатные стойки, винты, гайки и вторую перфорированную макетную плату. Получается как-то так:

Распечатка корпуса на 3D-принтере

Я стал счастливым обладателем 3D-принтера пару месяцев назад и о многих нюансах 3D-печати не знаю. На своём BambuLab A1 Mini я использовал максимально простой подход. Импортировал STEP-файлы корпуса и кнопок и печатал, что предлагала Bambu Studio. Результат получился удовлетворительным.

Как я уже говорил ранее, я спешил с распечаткой корпуса и вместо того, чтобы использовать CAD для проверки идей, проверял на распечатанной модели. Вот такая груда из корпусов у меня скопилась.

В дальнейшем я уже буду руководствоваться правилом «Семь раз отмерь, один отрежь». Но тогда интересно было наблюдать, как 3D-принтер послушно, слой за слоем материализует твою 3D-модель.

Сборка

Я собирал «Ну, погоди!» несколько раз, так как несколько корпусов я распечатал с ошибками. Но в теории, если у вас хватит терпения промоделировать всё на компьютере, то сборка должна пройти гладко, и вы получите готовое устройство, которым можно пользоваться.

Ниже привожу рисунок, какой обычно приводят в инструкциях.

Модификация существующей прошивки

Так как я решил перевернуть дисплей из соображений лучшей компоновки на печатной плате, и мой эмулятор не использует конфигурационные файлы (устройство не поддерживает SD-карты) пришлось внести незначительное изменение в код прошивки. Кроме того, я изменил логику работы кнопки вечных жизней. Прежняя логика работы не позволяла работать эмулятор без этой кнопки или без закорачивания пина на землю.

Полезные ссылки

1. 3D-модели элементов корпусов

2. Схема и печатная плата

3. Прошивка эмулятора

4. Моя предыдущая статья об эмуляторе

5. Форум KiCAD

6. Библиотеки для KiCAD ki-lime-pi-pico

7. Пост Perfboard circuit design with Kicad

8. Сайт с 3D-моделями GRABCAD

9. Сайт с 3D-моделями 3D Content Central

10. Сайт, посвящённый Мурмулятору

11. Телеграм-группа Мурмулятора

12. Файлы проекта мобильного Мурмулятора, разрабатываемого пользователем tecnocat

13. Электроника и Game and watch от tecnocat

Выводы

Когда уже я практически доделал свою, я узнал, что существует и развивается проект мобильного Мурмулятора пользователем tecnocat, на который можно поставить прошивку с эмуляцией игр Электроника и Game & Watch. Возможно, проект тоже вас заинтересует.

Из-за того, что я многое задокументировал в KiCAD, а также уже использовал наработки с предыдущей статьи, эта статья получилась короткая. Теперь «Ну, погоди!» выглядит эффектнее, но думаю, читатели с бо́льшим опытом найдут недочёты. Всегда рад конструктивной критике.

Разрабатывая устройство, я углубил свои знания в разных областях. Я разобрался, как пользоваться KiCAD, как проектировать корпус и как печатать 3D-модели. Каждая из этих тем интересная, и, конечно, осветить всё, что узнал, просто невозможно.

Изучая полученный результат, замечаешь, что как-то сам, того не замечая, применил многие знания, которые тебе пытались передать, когда ты был студентом. Но тогда как-то это воспринималось не так, а может, и рассказывали не так, и ты не видел, куда знания применять.

Интересно, но когда разобрался в чём-то и смотришь на уже давно известные тебе предметы, они тебе уже предстают в другом ракурсе, и ты видишь нюансы, которым ты раньше не придавал значения.

Попробуйте шампанское в винном погребе, где его выдерживают, и для вас вкус коллекционного шампанского изменится навсегда. Вы будете сразу отличать коллекционное шампанское от остального.

Также и с электроникой — соберите своё устройство, и на печатные платы вы будете смотреть совсем по-другому.

Полученное устройство, благодаря спроектированному корпусу, имеет законченный вид, и им можно пользоваться ежедневно.

Устройство можно улучшить, например:

1. Выполнить не навесной монтаж, а заказать печатную плату на заводе или изготовить её самому.

2. Улучшить схему питания с использованием полевого транзистора.

3. Сделать устройство более компактным, но мне, если честно, было жалко впаивать pico и дисплей в печатную плату, поэтому я использовал сокеты.

4. Сделать распиновку для Pico совместимой c Мурмулятором.

Если, когда-нибудь появится желание выполнить эти улучшения — я их сделаю, а пока поставлю свой «Ну, погоди!» на полку и заведу на нём будильник).

А читатель, у которого есть желание сделать улучшения, может выполнить их раньше меня и поделиться результатом на Xабре.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»