poster333

Танцевальная платформа для Dance Dance Revolution и Pump It Up

А. ГЕННО, г. Таганрог Ростовской обл.

Автор делится с читателями описанием конструкции универсальной танцевальной платформы для игр серий Dance Dance Revolution и Pump It Up и её контроллера Благодаря сочетанию оригинальных технических решений платформу удалось сделать лёгкой, несложной в сборке без применения каких-либо специфических инструментов, но в то же время весьма прочной и пригодной для игр высокого уровня сложности. Он хочет, чтобы как можно больше читателей открыли для себя мир танцевальных игр. Ведь это так весело и увлекательно, да ещё и полезно для здоровья.

Начнем с краткого экскурса в историю танцевальных игр. Согласно [1). Dance Dance Revolution (DDR) — серия музыкальных видеоигр, разработанных фирмой Konami Digital Entertainment Игра проходит на танцевальной платформе с четырьмя панелями-кнопками "Вверх", “Вниз", "'Влево'' и "Вправо" Во время игры по экрану в ритм исполняемой песне перемещается последовательность стрелок Игрок должен в такт музыке нажимать ногами на соответствующие панели-кнопки в те моменты когда стрелки совпадают с полупрозрачным трафаретом, обычно расположенным в верхней части экрана.

Впервые DDR была представлена в виде аркадного игрового автомата в 1998 г на игровой выставке Tokyo Game Show в Японии Наиболее яркая демонстрация аркадного автомата DDR широкой публике произошла в фильме ' Васаби" с Жаном Рено в главной роли Около года спустя корейская фирма Andamiro создала фактически копии DDR — игры серии Pump It Up (PIU) Игровой процесс PIU аналогичен DDR с той лишь разницей, что на танцевальной платформе PIU имеются пять панелей-кнопок "Центр", "Влево-вверх”, "Вправо-вверх", " Влево-вниз", "Вправо-вниз"'. Более подробно об играх серии PIU можно узнать в [2].

В 2004 г. фирма Roxor Games разработала свой вариант аркадного автомата под названием In The Groove (ITG), отличавшийся от DDR более сложными композициями История In The Groove завершилась в 2006 г получением фирмой Konami Digital Entertainment всех авторских прав на эти игры [3j В 2008 г Голландская фирма Positive Gaming выпустила свою линейку игр под названием iDance [4]

Уместно будет добавить, что фирмой Konami Digital Entertainment, помимо аркадных автоматов, игры серии DDR с 1999 г. и по сегодняшний день выпускаются в вариантах для всех известных игровых консолей (Sony PS One, Sony PS2 Sony PS3, Microsoft XBOX, Microsoft XBOX 360. Nintendo 64, Nintendo Game-cube. Nintendo Wii). К сожалению консольные версии этих игр в нашей стране практически неизвестны Причин этому великое множество. Упоминать их в рамках журнальной статьи не имеет смысла.

Для возможности играть на персональном компьютере командой энтузиастов был создан бесплатный симулятор аркадных автоматов DDR и PIU под названием Stepmania (5), распространяемый в том числе и в исходных кодах На момент написания статьи вышла версия Stepmania 5 0 7. Кроме того, в Интернете есть много сайтов (например, [6, 7]), содержащих доступные для скачивания композиции практически всех когда-либо выходивших аркадных и консольных версий игр серий DDR, PIU и даже ITG. Танцевальная платформа, о которой пойдет речь в предлагаемой статье, как раз и рассчитана на совместное использование с программой Stepmania на компьютере с операционной системой Windows.

Для домашнего освоения игр серий DDR и PIU существуют два варианта игровых приспособлении танцевальные коврики и танцевальные платформы [6], обладающие своими достоинствами и недостатками.

Танцевальные коврики считают устройствами начального уровня, предназначенными для игроков, только приступивших к освоению игр Они относительно недороги, имеют небольшую массу, их можно хранить в свернутом состоянии Из недостатков можно назвать невысокую точность срабатывания, что делает невозможным исполнение сложных насыщенных "стрелками" композиций, и скольжение коврика по полу во время игры Со временем коврики сминаются и практически неремонтопригодны.

Читатели, обладающие некоторыми слесарными навыками, могут изготовить танцевальную платформу самостоятельно. В Интернете имеются описания конструкций, разработанных как зарубежными [7, 8), так и отечественными [9) авторами Однако выбирая конструкцию для повторения, необходимо учитывать стоимость материалов и наличие не только навыков, но еще и соответствующих инструментов

Танцевальная платформа, о которой пойдет речь, — плод примерно трех лет изысканий. При ее создании ставились следующие цели

— минимизировать массу платформы (не более нескольких килограммов) и сделать обращение с ней доступным хрупкой девушке или даже ребенку. Под обращением подразумевается не только игровой процесс, но и установка, подключение и все другие манипуляции с платформой;

— минимизировать расходы. Желательно, чтобы стоимость набора материалов и деталей для платформы не превышала средней цены танцевального коврика. Для сборки не должны требоваться какие-либо специфические инструменты;

— добиться высокой точности срабатывании Платформа не должна ограничивать возможности игрока и должна быть пригодной для исполнения композиций. по крайней мере, уровня "Difficult" по шкале сложности DDR;

— обеспечить пригодность платформы для игр как DDR, так и PIU. для чего предусмотреть девять активных панелей-кнопок;

— связать платформу с компьютером по интерфейсу USB-2 0

Анализ опубликованных в [7—9] описаний танцевальных платформ позволяет сделать вывод, что в их панелях-кнопках применяются только механические контакты. Чтобы обеспечить долговечность, контакты и платформы в целом обладают большим запасом механической прочности, что и обусловливает большую массу

При создании предлагаемой танцевальной платформы было принято решение отказаться от механических контактов. В результате анализа доступных и теоретически пригодных для использования вариантов выбор был сделан в пользу емкостных датчиков В подтверждение выбора удалось отыскать в Интернете описания трех, по-видимому, работоспособных танцевальных платформ с емкостными датчиками [10—12]

Первый изготовленный автором макет танцевальной платформы был оборудован четырьмя емкостными датчиками В качестве ее основания использовался лист ДВП размерами 840*840 мм и толщиной 3.5 мм. На обратную сторону листа в тех местах, где должны располагаться панели-кнопки, были наклеены четыре квадрата размерами 250*250 мм из алюминиевой фольги. Макет измерителя емкости был собран на микроконтроллере ATmega8535 [13]. Соединение с компьютером было организовано через покупной джойстик, как это сделано в конструкциях[7—9]

Танцевальные платформы ориентированы на игроков, уже в значительной степени освоивших игровой процесс. Их варианты для домашнего использования в основном повторяют конструкции платформ аркадных автоматов. Отсюда достоинства — высокая точность срабатывания, отличный тактильный эффект, отсутствие перемещений во время игры За это приходится платить большой массой (в среднем около 15 кг) Высокая стоимость доступных на рынке образцов платформ плюс расходы на пересылку [6] также не способствуют их широкому распространению.

Для измерения емкости использовался известный принцип определения продолжительности зарядки или разрядки. Допустим датчик (конденсатор) подключен к одной из линий порта ввода—вывода микроконтроллера Сначала этот вывод конфигурируют как выход и на нем устанавливают высокий логический уровень. Поскольку входное сопротивление линии порта в таком состоянии невелико, датчик (конденсатор) практически в тот же момент заряжается до напряжения питания микроконтроллера После этого линию конфигурируют как вход Конденсатор начинает разряжаться через подключенный параллельно ему резистор Напряжение на конденсаторе постепенно уменьшается, a параграмма микроконтроллера отсчитывает время за которое оно падает до логически низкого уровня Нем больше емкость датчика, тем больше времени требуется для разрядки, и наоборот.

Сравнивая продолжительное i о разрядки с заранее установленными порогами. можно выделить два состояния "кнопки” — "нажата" и "отпущена". Именно такой принцип использован в конструкции [12], что установлено анализом исходного текста программы имеющегося в ней микроконтроллера.

Возможна небольшая модификация описанного принципа. Если спустя фиксированное время после переконфигурации линии с выхода на вход запускать встроенный АЦП микроконтроллера то результат преобразования будет пропорционален емкости датчика Такой принцип использован в конструкциях [10 11].

По результатам испытаний первого макета танцевальной платформы были выявлены следующие недостатки.

— емкостные датчики одинаково чувствительны к предметам находящимся сверху и снизу от них. Следовательно, на полу, в котором имеется металлическая арматура, играть не удается

- датчики имеют очень низкую помехоустойчивость, что обусловлено относительно большой площадью образующих их пластин и длиной идущих к ним проводов. Об этом написал на своей интернет-странице автор конструкции [11]. Это, пожалуй, самый большой недостаток, ставящий под вопрос саму идею реализации емкостной танцевальной платформы

Нa первом макете получаемые значения продолжительности разрядки имели большой разброс Восьмикратное повторение измерения с последующим усреднением результатов ситуацию кардинально не улучшило. Частично помог гистерезис, введенный в характеристику переключения датчика Но даже при индивидуальной для каждого датчика подстройке порогов так и не удалось добиться четкого определения "нажатий" и "отпусканий".

Анализ источников был продолжен. Через некоторое время было найдено техническое решение, позволяющее полностью устранить чувствительность датчика снизу и существенно улучшить четкость срабатывания. Это — активное экранирование, известное в зарубеж-ной литературе под названием "driver shield". Его широко применяют для снятия сигналов с высокоомных цепей. Ссылки на конкретные источники информации приводить не буду поскольку их очень много. Интересующийся читатель без труда сможет отыскать их в Интернате самостоятельно.

Идею активного экранирования иллюстрирует рис. 1. Оно достигается с помощью повторителя напряжения DA1 с хорошей нагрузочной способностью. Выход повторителя соединен с экраном сигнального провода идущего от датчика, а экран этого провода — с экраном самого датчика (проводящей пластиной, идентичной по размерам пластине датчика и прикрывающей ее нижнюю сторону; Благодаря повторителю напряжение на экране всегда равно напряжению на датчике. Поскольку теперь разность потенциалов между датчиком и его экраном равна нулю ток через емкость между ними не 1ечет. За счет низкого выходного сопротивления повторителя нижняя сторона пластины-датчика и идущие от датчика экранированный провод теряют всякую чувствительность к окружающим предметам, даже металлическим.


Хотелось бы ответить, что помехоустойчивость конструкций [10—12], упомянутых выше, можно существенно улучшить, применив в них активное экранирование емкостных датчиков В первом макете танцевальной платформы активное экранирование позволило добиться более четких срабатывании датчиков Нс выяснилось что это только половина решения проблемы так как помехоустойчивость осталась все-таки недостаточной.

В результате изучения различных интернет-источников были обнаружены серии микросхем QTouch и QMatrix [141 для работы с емкостными датчиками, обеспечивающими повышенную помехоустойчивость. Но они оказались неспособны работать с датчиками размерами 260 с250 мм иднако меня очень заинтересовал использованный в них принцип измерения емкости кардинально отличающийся or описанною выше.

В основе принципа, используемого в микросхемах QTouch и QMatrix лежит перепое заряда из конденсатора-датчика в накопительный конденсатор, ёмкость которого должна быть во много раз больше емкости датчика. В зарубежнои литературе это решение известно под названием "charge pump".

Упрощенная схема измерения емкости по принципу переноса заряда изображена на рис. 2. где приняты следующие обозначения С„ — емкостный датчик; С„ — накопительный конденсатор S1—S3 — ключи управляемые микроконтроллером DD1 — компаратор напряжения.

В первый момент времени ключ S1 замкнут ключи S2 и S3 разомкнуть Конденсатор Сд заряжен до напряжения питания и,,,,. Ключ S1 размыкают, а ключ S3 замыкают едновременно. Этим конденсаторы Сд и С_ соединяют параллельно, в результате чего большая часть заряда перетекает из С„ в С„. Так происходит цикл "зарядка—перенос". Поскольку емкость накопительного конденсатора С_ много больше тмкости датчика С„, чтобы зарядить С.. до напряжения, близкого к Uтребуется много циклоь "зарядка—перенос".

В те отрезки времени, когда ключ S1 замкнут, напряжение на инвертирующем входе компаратора DD1 тем меньше, чем больший заряд накоплен в конденсаторе Си. Когда это напряжение опустится ниже порога заданного напряжением на неинвертирующем входе компаратора (например 0,7 В) на вы ходе компаратора будет установлен высокий логический уровень напряжения.

Емкость датчика С„ определяют путем подсчета циклов "зарядка- пере нос', выполненных до срабатывания компаратора. Чем емкость С„ больше, тем большее количество заряда она запасает в начале каждого цикла, и меньшее число циклов "зарядка—перенос" требуется для зарядки конденсатора С„ до заданного порога Как только компаратор OD1 сработает, ключи S1 и S2 будут одновременно замкнуты, а ключ S3 разомкнут. Конденсатор С„ раз рядится, после чего циклы "зарядка— перенос" могут быть повторены для следующего измерения емкости С„.

Схема представленная на рис 2, проста реализации с помощью современных микроконтроллеров имеющих порты дискретного ввода -вывода общего назначения и встроенные компараторы напряжения. Более того фирма Atmel разработала реализующую описанный метод библиотеку QTouch Library [ 15j для различных серий выпускаемых ею микроконтроллеров. Сегодня указанная библиотека при необходимости может быть подключена к среде разработки пpoграмм микроконтроллеров Atmel Studio [16]

Почему же метод переноса заряда дает более стабильные результаты измерения емкости датчика, чем традиционный метод. Дело в том, что кон денсатор Сд в схеме, изображенной на рис. 2, находится преимущественно в двух состояния) заряжен до напряжения питания и разряжен до текущею значения напряжения на накопитель ном конденсаторе Р интервале времени, когда происходит перекачка за ряда из С„ в С„ и чувствительность к воздействию помех наибольшая, дат чик и идущие от него провода зашунтированы конденсатором С_ большой емкости.

Сочетание двух технических решений (активное экранирование и измерение емкости по принципу переноса заряда позволило успешно достичь целей, обозначенных в начале статьи С их использованием был собран второй макет танцевальной платформы (точнее модифицирован первый) с четырьмя кнопками-датчиками. Датчики были сделаны из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1.6 мм. Их размеры остались прежними — 250*250 мм С печатной платой контроллера датчики были соединены коаксиальными кабелями. По-прежнему использовались микроконтроллер ATmega8535 и соединение с компьютером через джойстик.

Испытания второго макета показали, что он свободен от недостатков свойственных первому Точность срабатывания датчиков оказалась неотличимой от достигаемой при использовании одной из лучших покупных танцевальных плат-фирм "Cobalt Flux" К величайшему со жалению, выпуск этих платформ прекращен несколько лет назад

Здесь необходимо сделать уточнение Мне не удалось найти отличий на уровне "Difficult" по шкале сложности DDR. Композиции проходились и на' Cobalt Flux", и на втором макете с одинаковыми результатами. Быть может, на более высоких уровнях сложности отличия и проявятся но проверить это у меня нет возможности. Те, кто знаком с DDR, меня поймут.

Были и особенности:

— упомянутая библиотека QTouch uhraty оказалась слишком громоздкой и неудобной в использовании Взамен нее была написана очень простая программная реализация принципа пере носа заряда, впоследствии проверенная на практике;

— установлена необходимость оперативной подстройки уровней переключения индивидуально для каждого датчика Хранение уровней непосредственно в программе и их изменение путем ее корректировки, повторной компиляции и перепрограммирования микроконтроллера, как это сделано в (12), нельзя считать лучшим решением Лучше изменять уровни с помощью предусмотренного в рабочей программе несложного меню и хранить их в FEPRoM микроконтроллера.

Интерфейс пользователя может быть реализован с использованием небольшого ЖКИ либо путем вывода через UART микроконтроллера сообщений принимаемых и отображаемых компьютером Во втором макете опробованы оба варианта и установлено следующее

— необходимо хранить в микроконтроллере несколько наборов уровней переключения, поскольку пользователи разного возраста и комплекции по-разному изменяют емкость датчиков. Реализовано хранение и оперативное переключение пяти наборов;

— при домашнем использовании играть на платформе лучше в носках (без обуви), поскольку в этом случае лучше чувствуются рельефные границы панелей-кнопок, хотя емкостные датчики оказались способны реагировать и на игрока в обуви

— отсутствует тактильное ощущение нажатий но как мне кажется по личному опыту это не так уж и важно

Ещё одно преимущество танцевальной платформы с емкостными датчиками перед традиционными [7—9] — меньшая годверженность механическому износу (иными словами, большая долговечность), поскольку в предлагаемой конструкции полностью отсутствуют подвижные части.

В целом второй макет оказался удачным сочетанием технических решений, пригодным для повторения читателями поскольку вполне соответствовал поставленным целям (кроме универсальности). Но мне захотелось сделать конструкцию более завершенной, повысить уровень технической эстетики (например для связи с компьютером по интерфейсу USB-2.0 не использовать джойстик, а подключать микроконтроллер непосредственно) Хотелось и оптимизировать конструкцию с целью её дальнейшего удешевения. В результате после испытания двух макетов была разработана описываемая чиже конструкция основные технические харак-еоистики которой представлены в таблице Платформа структурно состоит из модуля контроллера, к которому подключены девять экранированных емкостных датчиков. В свою очередь, контроллер подключают к компьютеру по интерфейсу USB-2.0.

Схема модуля контроллера представлена на рис. 3. Его основной элемент — микроконтроллер DD1 Тактовая частота микроконтроллера стабилизирована кварцевым резонатором 701 на 8 МГц Конденсаторы С1, СЗ, С5 С7, С9 С11.С13.С15, С17 — накопительные. Их емкость выбрана равной 10 мФ. чем при выбранных размерах емкостных датчиков достигнут компромисс между их чувствительностью и затратами процессорного времени на измерение их емкости.

На счетверенных ОУ DA1 - DA3 выпояны повторители напряжения для активных экранов. Всего используется девять элементов ОУ (по числу датчиков). Резистивные делители напряжения на входах повторителей уменьшают их коэффициент передачи приблизительно на 2 %, что повышает стабильность, снижая риск самовозбуждения. Сами датчики и их экраны подключают к разъему Xе 1.


Светодиод Hl1 сигнализируют о наличии питания. Светодиод HL2 показывает режим работы интерфейса USB Светодиоды HL3—HL11 отображают со стояние емкостных датчиков и расположены на печатной плате согласно расположению датчиков на платформе. О срабатывании, например датчика 0 сигнализирует светодиод HL3, дат тика 1 — HL4 и т.д.

Кнопки SB1 (установка микроконтроллера в исходное состояние) и SB2 (активирование загрузчика) используют при загрузке программы во FIASH-naмять микроконтроллера DD1 по интерфейсу USB-2 0 Кнопки SB2—SB6 — органы управления платформой С их помощью выбирают наборы порогов переключения, а также устанавливают эти пороги индивидуально для каждого емкостного датчика

Конденсаторы С23—С36 — фильтрующие в цепи питания диод I/D1 защищает устройство от подачи напряжения питания в неправильной полярности.

Разъем XS1 — розетка USB-BF. К его контактам подключены интерфейсные линии USB с нее же берут напряжение питания +5 В для всего контроллера

На разъем ХР2 выведен общий провод устройства У меня не возникало необходимости в его использовании, но читатели, которые захотят еще более повысить помехозащищенность платформы, могут покрыть основание сплошным слоем металлической фольги и соединить его с разъемом обеспечив лучшее экранирование.

Для минимизации размеров модуля контроллера в нем использованы компоненты в основном для поверхностного монтажа. В качестве DD1 можно использовать любой из микроконтроллеров AT90USB646 AU AT90USB647 AU AT90USB I28f AU или AT90USB1287-AU (при этом необходимо загружать в программную память каждого микроконтроллера коды из соответствующего HEX файла).

Все резисторы — типоразмера 0805 Конденсаторы С23— С27 — оксидные танталовые 293D476X0016C2 в корпусе типоразмера D К выбору накопительных конденсаторов С1 СЗ С5 С7, С9 С 1 1 С13, С15 С17 следует отнестись с особой тщательностью. Рекомендую применить пленочные конденсаторы К73-17А, обладающие по сравнению с керамически ми лучшей температурной стабильностью или аналогичные импортные. На печатной плате предусмотрена возможность установки этих конденсаторов различного размера Конденсатор С37 — керамический типоразмера 1206 Все остальные конденсаторы — керамические типоразмера 0805

ЛИТЕРАТУРА

1. Dance Dance Revolution. — URL. https:// ru.Wikipedia oiu wiki Dance D >nc<~ Revolu tion (15 05.2015).

2. P-imp It Up. — UR1 https://ru.Wikipedia, or wiki/Pump It Up (15.05.2015).

3. In the Groove. — URL https-, ru wikipedia.org wl k, /1 n _ t h e _ G г о о v e (15.05 2015).

4. iDance. — UP nttps://en wikipr dia. ort, wiki/IDance 15 05.2015).

5. StepMama. — URL http:/>v.ww stenmania.com/ (15.05 2015).

6. Танцующий Бегемоти! — URL: http:// www.dancinghippo ru/(15 0E 2015).

7. The DDR homepad hulding and softpad modding thread — URL: https:/-zemus-i-vanisher.com v5.2 viewthread.php?thieadid =3350.1b 05 2015).

8. Home Bunt Dance Dance Revolution Arcade Style Metal Pad URc http://www. angelfin с о m / d 2 0 / d d < h c m e p a d

(15 05 2015).

9. Как самому сделать танцевальную платформу для Dance Dance Revolution. — JRL http://habraliabr.ru/post'235323/ (15 05 2015).

10. Capacitive Dance Pad — URL http:// Simon.den tree fr/site/spip 'spip.php?rubri que3 (15 05.2015).

11. usbddr — V-USB — URL http //vusb wikidot com/project:usbQdr (15 05 2015).

12. Кучин А. Танцевальный коврик с USB-интерфеигом (USB DANCE PAD — URL http://www jrtem.ru/cgi-bin /news?c =v4id /44 5 05.2015).

13. 8-hit AVR Microcontroller with 8K Bytes In System Programmable Flash ATmega8535 ATmega8535L — URi http://www atmel.com/ image: doc2502.pdf (15 05 20151

14. Dedicated Touch Devices. URL http:,7 www.atmel.com products TsuchSolutions b sw/dedicated - touch devices aspx (1505 2015'

15. Atmel QTouch Library — UR, http:// www.atm) I.corn products Touch Solution , t ouchsoftWeD atmel qtouch_library._spx (15.05.2015)

16. Atme1 Studio. — URL. http://www.atme cum 'Dols/atn.elstudio.ejpx (15.05 2015).