一、動(dòng)機(jī)
自從2002年擁有第一臺(tái)GBA開始到2006年買的NDS，除了在兩上掌機(jī)上開發(fā)程序之外，一直希望能擴(kuò)展硬件做一個(gè)小車機(jī)器人。但由于當(dāng)時(shí)軟硬件知識(shí)的匱乏以及動(dòng)手能力有限，一直沒有進(jìn)展。
最近無意搜到一款幾年前發(fā)布的開源硬件DS brut，這是我目前了解的第二個(gè)開源NDS擴(kuò)展硬件。第一個(gè)是DSerial。當(dāng)時(shí)差不多2009年左右非常想買一塊DSerial，可惜人在國內(nèi)不方便國際郵購。如今這兩個(gè)產(chǎn)品都已售罄，而自己感覺DIY的能力應(yīng)該可以自己做一個(gè)以DS brut為基礎(chǔ)的擴(kuò)展，于是有了本篇博文。
二、背景
NDS硬件擴(kuò)展主要有兩種方式：(1) slot 1接口擴(kuò)展 (2) slot 2接口擴(kuò)展。前者為NDS卡接口，后者為GBA卡接口。slot 1接口只有17根線，而GBA接口則有32根線。兩種方式擴(kuò)展都有人做。
2.1、Slot 1接口擴(kuò)展
Slot 1接口擴(kuò)展主要有DS brut和DSerial。
通過查看DS brut和DSerial的電路圖，可以了解到以下幾個(gè)主要信息：
圖1. DS brut擴(kuò)展電路
圖2. DS brut卡實(shí)圖
（1）DS brut用的atmega168 8位單片機(jī)，
（2）DSerial用的是51系列8位單片機(jī)，
（3）兩者都使用NDS的slot 1接口(NDS游戲卡接口)，
（4）兩者都使用SPI接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和NDS主機(jī)的通信，
（5）兩者都沒有使用slot 1接口中的D0至D5數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)交換(D6,D7為SPI總線上的數(shù)據(jù)線，即MISO, MOSI)，
（6）兩者均使用slot 1接口的3.3V的VCC作為單片機(jī)電源，無需額外供電，
（7）兩者均使用CPU內(nèi)部晶振作為時(shí)鐘來源，即都沒使用外部晶振。
2.2、Slot 2接口擴(kuò)展
在youtube上還有一個(gè)人將NDS通過slot 2接口以最簡單的方式接上了Arduino，并實(shí)現(xiàn)通信，文章請點(diǎn)擊這里。該方案只使用3根信號(hào)線完成通信，方案比較簡單，但功能擴(kuò)展也相對有限。
另一個(gè)擴(kuò)展方案請點(diǎn)這里。該方案相對復(fù)雜，從標(biāo)題來看，應(yīng)該是從slot 2接口引出線后通過FTDI，即TTL串口轉(zhuǎn)USB聯(lián)接電腦進(jìn)行通信。其實(shí)方案中只要用了TTL串口，和單片機(jī)或嵌入式板子通信就無障礙了，除了通信速率問題外。
三、方案設(shè)計(jì)
以上這些信息已基本給出NDS硬件擴(kuò)展的大致方案。從容易性和擴(kuò)展功能是否強(qiáng)大來看，Slot 2的三線擴(kuò)展最容易，但功能最弱。DSerial的功能相對強(qiáng)大，但除了購買現(xiàn)成板子外，自己動(dòng)手制做難度太大，而且51系列CPU開發(fā)難度相對Arduino更高。
3.1、基于DS brut的擴(kuò)展
DS brut由于CPU采用Atmega168，并且提供了兼容Arduino的bootloader（從Lilypad版改良），因此單片機(jī)側(cè)的軟件開發(fā)將會(huì)非常容易，IDE和庫以及文檔也非常全面。再加上Atmega AVR系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)非常簡單，幾乎只需要通電就行。因此，本方案將基于DS brut進(jìn)行擴(kuò)展，但不限制NDS卡帶的寬度，可以將單片機(jī)外接，因此可以比DS brut有更多的GPIO和其它接口。
以下是DS brut的擴(kuò)展電路：
圖1. DS brut擴(kuò)展電路
從圖1中看以清楚看到除了220歐的R1電阻，發(fā)光二極管LED1，以及電源濾波的C1(100nf)，沒有別的電子元件。而其中R1和LED1對擴(kuò)展來說不是必須，也可以去掉。因此，電路非常簡單，外行都可以DIY實(shí)現(xiàn)。
原始的DS brut為NDS卡大小，如圖2所示：
圖2. DS brut卡實(shí)圖
3.2、擴(kuò)展卡制做
考慮到單獨(dú)開板的成本，硬件打算簡易DIY。采用現(xiàn)成的NDS卡，但只使用引腳部分，將引腳和上部電路(卡套蓋住部分)用美工刀切斷電路連接，然后分別從每個(gè)引腳焊接引線，并從卡的上部引出。如果引線后卡套蓋不住，可考慮將原卡電路板上的芯片去掉(用電烙鐵和吸錫器)。
3.3、Arduino部分制做
由于為了電路簡單，Arduino部分電源將直接引線到NDS Slot 1的3.3V VCC。CPU理論上可以采用Atmega 48/88/168/328 系列。DS brut采用了Atmega168。采用不同的CPU在后續(xù)燒寫Arduino前需要改一下Arduino IDE對應(yīng)的board.txt文件，這主要是因?yàn)樵O(shè)置不同的CPU的Operating電壓(CPU的實(shí)際運(yùn)行電壓)需要設(shè)置CPU內(nèi)不同的fuse bit。要實(shí)現(xiàn)fuse bit的設(shè)置有兩個(gè)方法：（1）如果使用Arduino IDE進(jìn)行bootloader和程序的燒寫，需要改寫Arduino安裝路徑下的board.txt文件，添加相應(yīng)的profile。（2）如果使用avrdude進(jìn)行命令行燒寫bootloadert和程序的燒寫則可在命令行添加fuse bit的參數(shù)。但不管采用這兩種方法的哪一種，fuse bit的設(shè)置參數(shù)都應(yīng)是一致的。而具體設(shè)置可以參考Atmega48/88/168/328 的DataSheet文檔查到。
而傳統(tǒng)大部分Arduino開發(fā)板采用的是5V電源，本質(zhì)上Atmega的大部分AVR單片機(jī)可支持1.8V至5.5V輸入（具體請參考官網(wǎng)，點(diǎn)這里）。不過輸入電壓和CPU的工作頻率是有一定相關(guān)性的，有一篇文章關(guān)于這個(gè)問題有較詳細(xì)的說明（請點(diǎn)這里）。Any way, 只要我們的Atmega單片機(jī)能夠用3.3V驅(qū)動(dòng)就可以了。
這里有一篇文章清楚介紹了如何設(shè)置Atmega328的fuse bits以運(yùn)行電壓在3.3V上工作，給出了具體實(shí)現(xiàn)過程：ATmega328 Fuse Bit Setting for 3.3V Vcc。
電壓問題解決后，接下來就是Arduino的bootloader。DS brut定制了一個(gè)bootloader。跟據(jù)其readme文件說明，應(yīng)該相對于Arduino的bootloader只是更改了一下WatchDog部分代碼而以。另外DS brut是采用CPU內(nèi)部晶振作為振蕩源，和Lilypad一樣。因此懷疑bootloader也是按Lilypad的版本改的，這部分我未驗(yàn)證。
關(guān)于Arduino環(huán)境中boards.txt文件(路徑為：arduino版本號(hào)/hardware/arduino/boards.txt)的各個(gè)部分的解釋可以參考這個(gè)官方文檔：Bootloader Development。
avrdude不像Arduino先燒bootloader，然后通過bootloader用串口燒寫應(yīng)用程序。avrdude是個(gè)全功能的AVR燒寫軟件，可以燒寫所有程序，包括bootloader，不過需要一個(gè)燒寫硬件，如STK500或Smart ISP programmer。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體可以跟據(jù)自己手上的現(xiàn)成硬件進(jìn)行選擇。avrdude的使用可以參考這篇官方教程：AVR Tutorial。
燒寫bootloader的方式，DS brut給出的是采用avrdude。而本方案將采用更方便的Arduino對燒，即需要另一個(gè)Arduino成品燒寫無bootloader的Atmega單片機(jī)CPU。這篇From Arduino to a Microcontroller on a Breadboard
圖3. 無需外部晶振，用Arduino燒寫bootloader(需要修改boards.txt文件)
圖4. 無需外部晶振，用Arduino給CPU上傳程序(需要修改boards.txt文件)
3.4、Arduino和NDS通信設(shè)計(jì)
Arduino和NDS通信通過SPI接口完成。Arduino部分對SPI編程實(shí)現(xiàn)非常方便，IDE內(nèi)部的有庫直接支持，直接使用即可。示例代碼可以參考DS brut的dsbrut_arduino.txt文件。
NDS部分則相對復(fù)雜一些，需要寫驅(qū)動(dòng)代碼。當(dāng)然DS brut也已經(jīng)提供了，分別為uart, spi, brut部分。也可以參考源碼。NDS部分的編譯好的程序需要放到Slot 2接口的燒錄卡上運(yùn)行，因?yàn)镾lot 1已用來擴(kuò)展。NDS部分的程序開發(fā)可采用DevkitPro。libnds等庫也都非常實(shí)用，可以快速開發(fā)實(shí)現(xiàn)功能。另外，如果NDS程序涉及到FAT文件讀寫別忘了打DLDI補(bǔ)丁就行。
NDS端的驅(qū)動(dòng)部分代碼可以預(yù)先編譯成庫，并將頭文件和庫文件分別放到devkitARM對應(yīng)的目錄里，方便以后使用。
另外DS brut提供了Demo Project。這個(gè)section的詳細(xì)內(nèi)容需要到實(shí)現(xiàn)方案后再能詳述。至此先這樣。
四、應(yīng)用
采用本方案實(shí)現(xiàn)NDS擴(kuò)展，對于擴(kuò)展出來的單片機(jī)端更新程序也方便，對于NDS端的開發(fā)和以往一樣。應(yīng)用實(shí)例基本上所有單片機(jī)能做的這個(gè)方案都可以實(shí)現(xiàn)。另外還有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）NDS的主CPU為32位68MHz的ARM 9，處理能力比單片機(jī)更強(qiáng)，可以處理一些由單片機(jī)傳回來的較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)和運(yùn)算，
（2）NDS端的程序在Slot 2，可以使用大容量的SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，
（3）NDS擁有WiFi，可以聯(lián)網(wǎng)，有更多開發(fā)的可能性，比如遠(yuǎn)程控制，無線數(shù)據(jù)傳輸，
（4）NDS擁有兩個(gè)LCD，可以顯示很多信息，其中一個(gè)可觸摸，
可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)應(yīng)用：
（1）把NDS當(dāng)作電腦的游戲手柄，或電腦鍵盤
（2）帶LCD狀態(tài)顯示的智能小車，可無線遙控
（3）通過NDS控制各種外設(shè)，如用觸摸屏控制4*4*4,或8*8*8的LED立方顯示任意圖案
（4）太多了...
有空我將實(shí)現(xiàn)本方案，敬請期待！