popn2013

ポップンコントローラ自作プロジェクト

このブログは、電算研の部員2名が制作したポップンコントローラ(ポプコン)の制作記です。
2013年度の岡山大学祭(2013/11/02～11/04)にて展示しました。

(学祭展示中の写真)

KONAMIのPS2版"pop'n music"のゲームソフトをプレイするため、プレイステーション用コントローラとして認識されるように作っています。
ボタンサイズと配置はアーケードとほぼ同じにし、どうせならということでLEDを仕込んでボタンを光らせました。

なおこのブログはもともと外部公開用ではなかったものなので、見にくい部分はご容赦ください。

回路・プログラム担当: kxspctrm
　　　　　　筐体担当: そーてっく (soh)

岡山大学電子計算機研究会 (OUCRC)

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プログラム概説
ATmega88/88P/88V/88PV用プロジェクトファイル (Atmel Studio 6)
- DIYPad.zip

筐体

図面データ(Jw-CAD)

ポプコン(2013_11_01)4.jww
ポプコン(2013_11_01)4印刷.jww　(印刷用、縮尺1/1)

フレーム加工/その2 (細かな改良)

前: フレーム加工/その1 (図面引き、加工、接着)
次: (なし)

== フレームの改良 ==

前回までで筐体としての機能は完成しており、今回は学祭での展示以後に行った改良作業の記録である。
作業したのは2014年3月22日だがずっと更新を忘れていたため、写真をたよりに思い出しながら記述する。

なお後述するが、実は今回の改良作業はほとんど効果がなかった。
しかしせっかく写真が残っていたので、供養の意味も込めて記事にした。

== 磁石によるフタの浮き防止 ==

前回の記事の最後にも書いたが、フタの端が反り返ってしまって筐体上部がぴったり閉まらないという問題があった。
おそらくスチレンボード接着時の位置ずれが原因で、はがせないスプレーのりを使ったため反りの修正は困難である。
そこで浮いている部分に磁石を埋め込むことで、磁力でフタをくっつける改良を試みた。

購入した磁石。ダイソーにて25個入り105円。消費税8％は2014年4月1日から。

1個600ガウスの"強力"マグネットらしい。
これをフレームの上部とフタの裏側に向かい合わせに埋め込む。

フタの裏側に置いて位置決め…

コンパスカッターで円形に切り込みを入れる。

フタは青と赤2枚のスチレンボードを貼りあわせてあるので、
赤だけを除去するとちょうど磁石が埋め込める厚みになる。
しかしここも当然接着済みなので、カッターナイフでぽりぽりほじくる羽目に。

磁石を入れてみるとぴったり。

これと対になる位置に、土台フレームの方にも穴を開ける。

コンパスカッターからのカッターナイフ。
埋め込んだだけでは磁石同士がくっついて外れてしまうので、
さらに上からOPPテープを貼って補強する。

これで磁石の埋め込みは完了！

さてこれでフタの浮きは改善されたはず…と思いきや、
実際のところ全然改善しなかった。
反り返る力に対して完全に磁力が負けている模様。強力とはなんだったのか。

ちなみにもっと強力なネオジム磁石(2800ガウス！)も買ってはいたが、
小さすぎてコンパスカッターが使いにくいのとこれ以上穴を開けると汚くなりそうだったので保留。
ポプコンとしての機能に影響がないこともあってそのまま放置している。

8個入り105円(当時)のネオジム磁石。こんなものがそこらの百均で簡単に手に入るのはありがたい限り。

== 9ボタン内の光反射シート作成 ==

9ボタンはLEDで光る仕組みになっているが、ボタン内部が黒いのであまり明るくないことと、
「白」ボタンはカラーフィルムを入れていないせいで中の基板が見えてしまう欠点があった。

（右上に転がってるワカメみたいなのが「緑」用のカラーフィルム。）
（赤青緑黄を含むセットのフィルム(ダイソー105円)を丸く切っただけのもの。）

9ボタンのベースとして使ったダイソーLEDライトは元々、中に白い厚紙が入っていて光を反射する構造になっていた。
そこでこの構造を真似て基板隠し&反射材を仕込んでみたらどうかと思い、試してみた。

9ボタンから透明なフタ部分を外してコピー用紙に型を取る。
ちなみにこれ以前に光の拡散を期待してフタを紙やすりで荒らしてみたが、効果は薄かった。

反射材は直径80mmくらいがちょうどいいと分かったので、コンパスカッターで紙を切り出す。

さらに中央にプッシュスイッチを通す穴を開ける。

ノギスできっちり測った。

のに入らない。なぜだ。
穴のふちに切り込みを入れて対応。

さらにLEDが紙の上に出るようにカッターで切り込みを入れる。

あとは元通りボタンを組み立てるだけ。

しかしこれも1つだけ組み上げてボタンを押してみたところ、どうもヘコヘコして感触がよくない。
押すたびにカサカサ音も出たり、どうやら紙が可動部に干渉している様子。
肝心の反射効果のほうも、期待したほどではなかったというかコレジャナイ感がにじみ出る結果に。
一応基板の目隠しにはなっているものの、地味に手間がかかる割に効果が薄かったので反射材はボツ案となった。

== その他改良案 ==

上記以外に、

・筐体全面に薄いプラ板を貼ってコーティングする
・筐体裏面にすべり止めシートを貼る

という案があったが、
前者は9ボタンの大きな丸穴をプラに正確に開けるのが面倒かつ困難っぽいためお流れに。
後者はとりあえず養生テープですべり止めシートを貼って運用していたが、もうそれで良いかなという気がしてきて放置している。

この記事を執筆しているのは2015年11月で、学祭での展示から丸2年が経過しているが、
（ゲームプレイ頻度が低いのもあるが）現在も機械的トラブルなどはなく正常に動作しているようだ。

前: フレーム加工/その1 (図面引き、加工、接着)
次: (なし)

フレーム加工/その1 (図面引き、加工、接着)

前: 9ボタン加工/その3 (塗装)
次: フレーム加工/その2 (細かな改良)

== フレームの構想 ==

9個のボタンをpop'nのオリジナルと同じ位置で固定し、かつ回路も内包するようなフレームが必要である。
以下はフレームの構想段階でのポンチ絵。

天板となるフタ部分、9ボタンを埋め込んで保持する中間材(スチロール？)、基板や中間材を入れて固定する箱部分の3層構造を考えていた。
9ボタンは音ゲーとしてバシバシ叩かれる部品なので交換メンテを容易にするため、
筐体にネジ止めするのではなくぴったり嵌る穴をあけたスチロール材か何かにはめこむ形にしている。
その中間材を箱に収めて固定(接着)し、制御基板も箱にネジ止めして最後にフタを閉める構造である。

しかしこの構造だと筐体の剛性は箱部分が担う形になるため、厚めの木材などで箱を作る必要がある。
ポプコンは椅子に座って膝の上に乗せて使うことも想定していたため軽いことが望ましく、発泡スチロールや薄いプラ材のみで作る方針に変更した。

そういった材料はネジ止めに向かないため、いっそ基板もはめこむ形にした。
発泡スチロールに基板やコードも埋め込んで固定するとなると、複雑な立体形状を作らなければならない。
そこで薄いスチレンボードを層状に何枚も重ねて筐体を作成することを思いついた。

薄いボードそれぞれに9ボタンや基板を埋め込む穴をカッターで開けていき、最後に各層を貼りあわせて接着する。
大きなスチロールの塊に溝を掘っていくよりも加工が容易で、型紙を貼って切っていけば精度もそれなりに出せる。
途中で割れるような失敗をしてもやり直しは1枚だけで済む。
また今回のように、基板を閉じ込める中空構造のような形状も簡単に実現できる。

初めて試みた工法だったため不安もあったが、結果的には結構うまくいったと思う。

== 材料選定 ==

フレームに使ったダイソーの5mm厚スチレンボード。もちろん105円。

色を統一できるほど数が置いてなかったため、カラフルに3色で合計10枚購入。(青2赤4黄4)

スチロールなので強度・剛性はそれなりだが、価格の安さと入手性、加工のしやすさが抜群。
発泡がポロポロ崩れるようなタイプではないので扱いやすい。
それほど剛性が求められない場所や、今回のように重ねあわせて強度を増してやれば色々使えそう。
(ちなみに2014年3月には黒色や、面積半分で厚さ2倍のものなどが追加されて充実してきている)
(買えるうちに買っときたい)

== CADで図面引き ==

スチロール板を切るための型紙として、CADで各層の図面を作成した。
アーケードのポップン筐体に準拠したボタンの配置と、メイン基板・オプションボタン基板を埋め込む穴、さらにそれらを繋ぐケーブルを通す溝を掘る。
上の層から順番に、1～8層の図面。(画像デカイので注意)

実線部分が切り取る線。9層目と10層目は底板でありただの板なので割愛。
1・2層目をフタとして使用するため、2層目と3層目の間は接着しない。
フタ層の穴も9ボタンのふちにぴったりはまるので、ほんの少しキツ目にすることでネジ等を使わずフタが固定できる。
3~5層目はUSBとPS2コントローラケーブルを外部に引き出すための切り欠きがある。

外形寸法は縦412.5mm、横718mm。(図面上は)
実際は厳密にこの寸法にする必要がないので適当に加工する。

== 加工 ==

図面を縮尺1/1で印刷し、スチレンボードに両面テープで貼り付けて実線部分にカッターを入れる。

(3層目。4層目とともに最も加工がしんどいやつ)
このときはコンパスカッターを持ってなかったので丸い型紙を押し当ててカッターナイフで切った。
フチがガタガタ。

ボタンと基板を入れる部分をくり抜いてから溝のラインを切断。

この順番で切るのが多分一番やりやすい(と思う)

== 接着 ==

10枚全部切り終わったら、片面にスプレーのりをまんべんなく吹きかけてペタッと接着。

取り返しがつかないので貼り合わせる順番や表裏をぜったいに間違えてはいけない。

また細い部分は剛性が特に低いので、カドをきちんと合わせてもその部分だけズレたりしやすい。
完璧に貼り合わせるのは至難の業。

基板やボタンを入れた状態。

案の定、若干せまくてはまりにくいボタンがあったり、外形のフチがガタガタだったり…
でもこのコードが収まってる感じは結構お気に入り。

フタを閉めて出来上がり。
接着のときに若干反りかえってしまったらしく、カドのあたりが少し浮き上がってフタがきれいに閉まらない。

つづく

前: 9ボタン加工/その3 (塗装)
次: フレーム加工/その2 (細かな改良)

9ボタン加工/その3 (塗装)

前: 9ボタン加工/その2 (XHコネクタ、ボタン内配線)
次: フレーム加工/その1 (図面引き、加工、接着)

== ボタン塗装 ==

塗装するのはボタン外殻パーツのみ。例の「割れた緑くん」の部分。

こちらは割れてないオレンジさん。実験台
表面処理もなにもせずいきなり黒スプレーを吹いたので、手でこすったくらいで簡単にポロポロ剥がれた。

(前回の写真より。こいつだけ塗装後に穴あけをしたので余計に悲惨)

プラモに造詣のある友人に助言をもらい、表面を紙ヤスリで荒らしたあとでサーフェイサーを吹き、その上から塗装することに。

　/* サーフェイサーの写真がないよ！ */

割れてない別の緑くんで確認。

いい感じになったので9個量産。
ダンボール箱を裏返してお手軽塗装台。パーツは目立たない内面から養生テープで固定。

(塗装はもちろん屋外で！)

XHコネクタの位置にあけた穴がボタンごとに微妙に違うので、塗装中に混ざらないようラベル付け。

多少塗りムラがでたものもあったけど、9個塗装終了！

(サフ→乾かす→塗装→乾かすで丸一日。扇風機先生大活躍)

つづく

前: 9ボタン加工/その2 (XHコネクタ、ボタン内配線)
次: フレーム加工/その1 (図面引き、加工、接着)

9ボタン加工/その2 (XHコネクタ、ボタン内配線)

前: 9ボタン加工/その1 (プッシュスイッチ、LED基板)
次: 9ボタン加工/その3 (塗装)

== 基板 & XHコネクタ取り付け ==

プッシュスイッチの両サイドにLED基板を両面テープで貼り付ける。
障害物がない位置を選んで、XHコネクタをグルーで固定。

(LED基板同士をつなぐ黒い線と、アノード/カソードへ赤白の線を一本ずつハンダ付け)

プッシュスイッチの端子は裏面の電池ボックス側に飛び出してるので、そこから緑と黒の線を引く。

緑黒線は電池ボックスの穴を通しておもて面へ引き出す。

4本の線をXHコネクタへ接続。1番ピンから赤-白-緑-黒。

(ここのハンダ付けむずかしい。隣のピンに当たったり時間かけすぎてコネクタ溶かしたり)
(後に発生するLEDが点かなくなる不具合はだいたいここらへんが原因)
(先にXHコネクタにハンダ付けしておいてからグルーで固定するのがたぶん正解)

XHコネクタの位置に合わせて、ボタン外殻パーツにマーキング。

カドにピンバイスで穴あけしてからニッパーでパチン。

一つ前の写真の緑くんは穴あけを怠ったため割れました:)

ケーブルを繋ぐとこんな感じ。

全体図。

XHコネクタのハンダ付け部分はグルーガンでコーティングしてあるけど、強度が増す代わりにメンテナンス性がガタ落ちなので微妙なところ。
他の8個にはやってなかったかもしれない。

動作チェック。

光りました(^O^)

つづく

前: 9ボタン加工/その1 (プッシュスイッチ、LED基板)
次: 9ボタン加工/その3 (塗装)

9ボタン加工/その1 (プッシュスイッチ、LED基板)

前: (なし)
次: 9ボタン加工/その2 (XHコネクタ、ボタン内配線)

== プッシュスイッチの取り付け ==

ベースとなるダイソーのLEDライト。

中に入っている基板や厚紙、電池ボックスの端子などは不要なので取り除く。

　　/* 取り除いた写真がないよ！*/

さらに邪魔な出っ張り部分などをニッパーで除去し、穴をあけてプッシュスイッチ(DS-463黒)をグルーガンで固定。

(画像で残っている３本の針も切り取る。グルーも盛りすぎたので後でカッター/ニッパーで一部除去)

プッシュスイッチの頭が当たる透明ドームの内側は、ブツブツが邪魔なのでハンダごてを当てて潰しておく。

ドーム頂点まわりの6個を適当にならせばOK。
さらにすべり止めとして小さく切ったスポンジをはさむ。

これを入れないとボタンを叩いたときにカリカリと音が出ます。
現状でははさんでるだけですが、両面テープか何かで貼り付けた方がメンテ楽かも

== LED基板の製作 ==

ポプコンボタン回路のLED4つ部分の基板を作成する。
長方形に切り刻んだユニバーサル基板。

(全部カッターナイフでゴリゴリと手作業。死ぬかと思った)

抵抗とLEDを2つずつ乗せてハンダづけ。

裏側に厚タイプの両面テープを貼る。

(ハンダ部に圧力がかからないよう、二重貼りで厚くしたはず)

つづく

前: (なし)
次: 9ボタン加工/その2 (XHコネクタ、ボタン内配線)

回路図

回路図ファイルダウンロード:

システム基板 - BSch3v / PNG
ポプコン9ボタン (1/3) - BSch3v / PNG
ポプコン9ボタン (2/3) - BSch3v / PNG
ポプコン9ボタン (3/3) - BSch3v / PNG
オプションボタン基板 - BSch3v / PNG

BSch3v用部品ライブラリ Popn2013.lb3

システム基板

ポプコンボタン (全3枚)
(1: 左白・左黄・左緑)

(2: 左青・赤・右青)

(3: 右緑・右黄・右白)

オプションボタン基板

ピン配置

ATmega88V-10PU

+3V3	1	RESET#	Atmel ATmega88V-10PU DIP28-300MIL	PC5	28	KEY_LEFT
KEY1_L2	2	PD0		PC4	27	KEY_DOWN
KEY9_R2	3	PD1		PC3	26	KEY6_RIGHT
KEY2_L1	4	PD2		PC2	25	KEY4_UP
KEY8_R1	5	PD3		PC1	24	KEY_START
KEY3_CROSS	6	PD4		PC0	23	KEY_SELECT
+3V3	7	VCC		GND	22	GND
GND	8	GND		AREF	21	N.C.
DATG#	9	PB6		AVCC	20	+3V3
ACKG#	10	PB7		PB5/SCK	19	CLK
KEY5_CIRCLE	11	PD5		PB4/MISO	18	DAT
KEY_TRIANGLE	12	PD6		PB3/MOSI	17	CMD
KEY7_SQUARE	13	PD7		PB2/SS#	16	ATT
TEST	14	PB0		PB1	15	ACK

上面図
背景色有りキーはPop'nコントローラ割り当て対象 (ポプコンボタン回路につながります)
斜字は通信用端子
N.C.＝無接続

ポプコンボタン接続ケーブル

+5V	1	JST-XH 4p
LED	2
SW	3
GND	4

上面図
背景色はケーブル色を表しています
1-2ピン間に、ポプコンボタン内蔵照明回路 (4並列のLED+抵抗) が接続されます
3-4ピン間に、ポプコンボタン内蔵スイッチが接続されます

オプション基板接続ケーブル

KEY_LEFT	1	JST-XH 8p
KEY_DOWN	2
KEY_OPT_RIGHT	3
KEY_OPT_UP	4
KET_START	5
KEY_SELECT	6
KEY_TRIANGLE	7
GND	8

上面図
背景色はケーブル色を表しています
3, 4番ピン (→、↑) はポプコンボタンの入力とANDゲートで合成される分配キーです
それ以外の5キーはポプコンボタンから独立しています

パッドコネクタ

DAT	1	JST-XH 8p
CMD	2
+7V	3
GND	4
+3V3	5
ATT	6
CLK	7
ACK	9

上面図
背景色はオリジナルのパッドケーブル色を表しています
3番ピン (バイブレータ用電源 +7V) および 5番ピン (ロジック電源 +3V3) は本回路中から使用せず、無接続
8番ピンは欠番です

プログラム概説

動作概要

動作は大まかに以下の2つの処理に区別されます。
1. ボタン状態取得
2. 本体との通信

ボタン状態取得

マイコンに接続されたボタンの押下状態を定期的に読み取ります。
ポップンコントローラの自作を目的としているため、アナログ量検出を持たないデジタル入力に限定し、L3/R3ボタンも使用しません。したがって、初代デジタルコントローラ SCPH-1000 相当の機能をエミュレーションします。
←↓↑→ □△×○ SELECT START L1 L2 R1 R2の 14ボタンぶんの入力端子を備えています。
ボタン読み取り処理はビジーループで走行し、本体との通信とは独立しています。

本体との通信
詳細なプロトコルやピンアウトはCuriousInventorのページを参考にしました。

プレイステーション/プレイステーション2 のパッド通信方式は8ビットのSPI (Serial Peripheral Interface) と互換性があり、AVRマイコンのハードウェア機能 (SPI スレーブ・モード) を使用できます。
SPIコンフィギュレーションは以下の通りです。
1. LSBファースト
2. クロック極性は負パルス
3. 先行エッジでセット/後行エッジでキャプチャ (いわゆるMode 0,0)
PS2はパッドに対して多種のコマンドを発行してきますが、初代デジタルパッドとして振る舞う限りでは、01h-42h で始まるコマンドのみ対応していれば良いようです。コマンド 42h はボタン状態のポーリングを表し、デジタルパッドでは一度の通信長さは全体で5バイトあります。下表の順番にデータを返答します。コマンド種別を確認し、42h以外のコマンドについては無視します。「アナログコントローラ」「DUALSHOCK2」等のアナログ入力スティック搭載機種相当品をつくる場合は、他種のコマンドにも対応させなければなりません。
最終バイトを除くすべての区切りでは、アクノリッジの短いパルスを返す必要があります。
本体へ出力値を返すSPIデータ・バスは、複数パッドやメモリーカード等の全デバイスで共通のため、デバイス間相互の信号衝突によって短絡を起こし得ます。ATTが自デバイスに向けられている間以外は信号を本体へ出力してはいけません。そのため、DATおよびACKの出力ラインは、ATT端子の入力変化時に割込みを発生して信号線の確保・解放を行っています。
- 立下り (通信開始) 時: DAT/ACK出力ラインの確保 → 出力を許可
- 立上り (通信終了) 時: DAT/ACK出力ラインの解放 → 出力をHi-Zへ

バイト	CMD (本体→パッド)	DAT (本体←パッド)
#1	01h	Don't care
#2	42h	41h
#3	00h	5Ah
#4	00h	上位ビットから順に、←↓→↑ START 1 1 SELECT ※ 離=1、押=0
#5	00h	上位ビットから順に、□×○△ R1 L1 R2 L2 ※ 離=1、押=0

SPIピン接続 (DATは3ステート出力のため、74HC125経由)

パッドコネクタ		AVRマイコン
1. DAT	←	A: 18. PB4/MISO G#: 9. PB6
2. CMD	→	17. PB3/MOSI
6. ATT	→	16. PB2/SS#
7. CLK	→	19. PB5/SCK

非SPIピン接続 (ACKは3ステート出力のため、74HC125経由)

パッドコネクタ		AVRマイコン
9. ACK	←	A: 15. PB1 G#: 10. PB7

ポート設定

PORTD	ビット	PD7	PD6	PD5	PD4	PD3	PD2	PD1	PD0
	ピン番号	13	12	11	6	5	4	3	2
	名称定義	BSQR	BCRS	BCIR	BTRI	BR1	BL1	BR2	BL2
PORTB	ビット	PB7	PB6	PB5 (SCK)	PB4 (MISO)	PB3 (MOSI)	PB2 (SS#)	PB1	PB0
	ピン番号	10	9	19	18	17	16	15	14
	名称定義	ACKG	DATG	CLK	DAT	CMD	ATT	ACK	LED
PORTC	ビット	-	PC6 (RESET#)	PC5	PC4	PC3	PC2	PC1	PC0
	ピン番号	-	1	28	27	26	25	24	23
	名称定義	-		BLEF	BDOW	BRIG	BUP	BSTA	BSEL

ピンに付した名称は、プログラム側で使用しているもので、回路図との表現とは異なります。