一、動機
自從2002年擁有第一臺GBA開始到2006年買的NDS，除了在兩上掌機上開發程序之外，一直希望能擴展硬件做一個小車機器人。但由于當時軟硬件知識的匱乏以及動手能力有限，一直沒有進展。
最近無意搜到一款幾年前發布的開源硬件DS brut，這是我目前了解的第二個開源NDS擴展硬件。第一個是DSerial。當時差不多2009年左右非常想買一塊DSerial，可惜人在國內不方便國際郵購。如今這兩個產品都已售罄，而自己感覺DIY的能力應該可以自己做一個以DS brut為基礎的擴展，于是有了本篇博文。
二、背景
NDS硬件擴展主要有兩種方式：(1) slot 1接口擴展 (2) slot 2接口擴展。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。兩種方式擴展都有人做。
2.1、Slot 1接口擴展
Slot 1接口擴展主要有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主要信息：
圖1. DS brut擴展電路
圖2. DS brut卡實圖
（1）DS brut用的atmega168 8位單片機，
（2）DSerial用的是51系列8位單片機，
（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接口實現單片機和NDS主機的通信，
（5）兩者都沒有使用slot 1接口中的D0至D5數據線作為數據交換(D6,D7為SPI總線上的數據線，即MISO, MOSI)，
（6）兩者均使用slot 1接口的3.3V的VCC作為單片機電源，無需額外供電，
（7）兩者均使用CPU內部晶振作為時鐘來源，即都沒使用外部晶振。
2.2、Slot 2接口擴展
在youtube上還有一個人將NDS通過slot 2接口以最簡單的方式接上了Arduino，并實現通信，文章請點擊這里。該方案只使用3根信號線完成通信，方案比較簡單，但功能擴展也相對有限。
另一個擴展方案請點這里。該方案相對復雜，從標題來看，應該是從slot 2接口引出線后通過FTDI，即TTL串口轉USB聯接電腦進行通信。其實方案中只要用了TTL串口，和單片機或嵌入式板子通信就無障礙了，除了通信速率問題外。
三、方案設計
以上這些信息已基本給出NDS硬件擴展的大致方案。從容易性和擴展功能是否強大來看，Slot 2的三線擴展最容易，但功能最弱。DSerial的功能相對強大，但除了購買現成板子外，自己動手制做難度太大，而且51系列CPU開發難度相對Arduino更高。
3.1、基于DS brut的擴展
DS brut由于CPU采用Atmega168，并且提供了兼容Arduino的bootloader（從Lilypad版改良），因此單片機側的軟件開發將會非常容易，IDE和庫以及文檔也非常全面。再加上Atmega AVR系列單片機的最小系統非常簡單，幾乎只需要通電就行。因此，本方案將基于DS brut進行擴展，但不限制NDS卡帶的寬度，可以將單片機外接，因此可以比DS brut有更多的GPIO和其它接口。
以下是DS brut的擴展電路：
圖1. DS brut擴展電路
從圖1中看以清楚看到除了220歐的R1電阻，發光二極管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實現。
原始的DS brut為NDS卡大小，如圖2所示：
圖2. DS brut卡實圖
3.2、擴展卡制做
考慮到單獨開板的成本，硬件打算簡易DIY。采用現成的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在后續燒寫Arduino前需要改一下Arduino IDE對應的board.txt文件，這主要是因為設置不同的CPU的Operating電壓(CPU的實際運行電壓)需要設置CPU內不同的fuse bit。要實現fuse bit的設置有兩個方法：（1）如果使用Arduino IDE進行bootloader和程序的燒寫，需要改寫Arduino安裝路徑下的board.txt文件，添加相應的profile。（2）如果使用avrdude進行命令行燒寫bootloadert和程序的燒寫則可在命令行添加fuse bit的參數。但不管采用這兩種方法的哪一種，fuse bit的設置參數都應是一致的。而具體設置可以參考Atmega48/88/168/328 的DataSheet文檔查到。
而傳統大部分Arduino開發板采用的是5V電源，本質上Atmega的大部分AVR單片機可支持1.8V至5.5V輸入（具體請參考官網，點這里）。不過輸入電壓和CPU的工作頻率是有一定相關性的，有一篇文章關于這個問題有較詳細的說明（請點這里）。Any way, 只要我們的Atmega單片機能夠用3.3V驅動就可以了。
這里有一篇文章清楚介紹了如何設置Atmega328的fuse bits以運行電壓在3.3V上工作，給出了具體實現過程：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bootloader。跟據其readme文件說明，應該相對于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，這部分我未驗證。
關于Arduino環境中boards.txt文件(路徑為：arduino版本號/hardware/arduino/boards.txt)的各個部分的解釋可以參考這個官方文檔：Bootloader Development。
avrdude不像Arduino先燒bootloader，然后通過bootloader用串口燒寫應用程序。avrdude是個全功能的AVR燒寫軟件，可以燒寫所有程序，包括bootloader，不過需要一個燒寫硬件，如STK500或Smart ISP programmer。兩種方式各有優缺點，具體可以跟據自己手上的現成硬件進行選擇。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Arduino成品燒寫無bootloader的Atmega單片機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通信設計
Arduino和NDS通信通過SPI接口完成。Arduino部分對SPI編程實現非常方便，IDE內部的有庫直接支持，直接使用即可。示例代碼可以參考DS brut的dsbrut_arduino.txt文件。
NDS部分則相對復雜一些，需要寫驅動代碼。當然DS brut也已經提供了，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接口的燒錄卡上運行，因為Slot 1已用來擴展。NDS部分的程序開發可采用DevkitPro。libnds等庫也都非常實用，可以快速開發實現功能。另外，如果NDS程序涉及到FAT文件讀寫別忘了打DLDI補丁就行。
NDS端的驅動部分代碼可以預先編譯成庫，并將頭文件和庫文件分別放到devkitARM對應的目錄里，方便以后使用。
另外DS brut提供了Demo Project。這個section的詳細內容需要到實現方案后再能詳述。至此先這樣。
四、應用
采用本方案實現NDS擴展，對于擴展出來的單片機端更新程序也方便，對于NDS端的開發和以往一樣。應用實例基本上所有單片機能做的這個方案都可以實現。另外還有以下幾個主要優點：
（1）NDS的主CPU為32位68MHz的ARM 9，處理能力比單片機更強，可以處理一些由單片機傳回來的較為復雜的數據和運算，
（2）NDS端的程序在Slot 2，可以使用大容量的SD卡作為數據存儲，
（3）NDS擁有WiFi，可以聯網，有更多開發的可能性，比如遠程控制，無線數據傳輸，
（4）NDS擁有兩個LCD，可以顯示很多信息，其中一個可觸摸，
可以實現以下幾個應用：
（1）把NDS當作電腦的游戲手柄，或電腦鍵盤
（2）帶LCD狀態顯示的智能小車，可無線遙控
（3）通過NDS控制各種外設，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...
有空我將實現本方案，敬請期待！