Projekt: Spielkonsole TS-1

TS-1 Prototyp im Plexiglasgehäuse

Was ist TS-1?

Bei TS-1 handelt es sich um eine Videospielkonsole. TS-1 wird an einen handelsüblichen Fernseher über eine RGB SCART Verbindung angeschlossen. Es können zwei (gameportkompatible) Joysticks und ein PS/2 Gerät angeschlossen werden. Außerdem sind Anschlussstifte für eine serielle Schnittstelle vorgesehen. So können Daten mit einem PC oder anderen externen Geräten ausgetauscht werden.

Die Schaltpläne und weitere Unterlagen befinden sich in der Archivdatei, so dass es ohne weiteres möglich ist, TS-1 nachzubauen. Interessierte, für die der eigene Entwurf einer Leiterplatte aufgrund der Schaltpläne eine zu große Hürde darstellt, können die beiden Leiterplatten als Service von Albotronic beziehen.

Was ist TS-1 nicht?

TS-1 ist nicht zu vegleichen mit den heutigen modernen Spielkonsolen! Die Leistungsfähigkeit von TS-1 entspricht ungefähr dem Stand der 8-Bit Computer Mitte der 80-er Jahre.

Screenshot von Retro-Hockey für zwei Spieler

Warum wurde TS-1 entwickelt?

TS-1 ist das Ergebnis einer Entwicklungsstudie. Mit minimalem Aufwand und Standardbausteinen sollte ein respektables Videospiel realisiert werden. Folgende Vorgaben waren zu erfüllen:

• Standardbauteile waren zu verwenden, die in jedem gut sortierten Elektronikhandel erhältlich sind. Damit schied programmierbare Logik aus (es gibt KEINE Spezialbausteine, FPGAs, CPLDs, sonstige). Die Logikbausteine entstammen der 74XX High Speed CMOS  und der 40XX CMOS Familie. Die einzige Ausnahme bilden die Speicherbausteine der Grafikkarte. Hier werden drei 32k Byte CACHE RAMs mit Zugriffszeiten zwischen 15ns und 20ns benötigt (ebenfalls im Elektronikhandel erhältlich).
• Das Gerät sollte aus einer Hauptplatine bestehen, in die eine Einsteckplatine eingesteckt wird, so dass je nach Einsteckplatine verschiedene Spiele gespielt werden können (die Einsteckplatine bestimmt die Funktion des Gerätes).
• Zwei Spieler sollten gleichzeitig spielen können, also zwei Anschlüsse für analoge Joysticks.
• Die Software für die Programmierung von TS-1 sollte für jedermann kostenlos im Internet erhältlich sein (GNU C Compiler).
• Der Prozessor sollte ein weit verbreiteter "Standard" Prozessor sein. Die Wahl fiel auf die sehr populäre 8-Bit AVR Serie (ATMega128) der Firma ATMEL.

Welche Leistungsmerkmale bietet TS-1?

• Prozessor
• TS-1 läuft mit einem 8 Bit ATmega128 AVR RISC Prozessor der Firma ATMEL. Die Taktfrequenz beträgt typisch 5MHz. Sie hängt von der Einsteckplatine ab, auf der sich der Quarzoszillator befindet. So kann jede Anwendung mit der für sie optimalen Taktfrequenz betrieben werden. Hier wurde grundsätzlich mit 5MHz entwickelt.
• Grafik (Taktfrequenz 5MHz)
• TS-1 ist mit 60k Byte Videoram ausgestattet.
• 480 x 240 Bildpunkte, 16 Farben
• 240 x 240 Bildpunkte, 256 Farben
• 240 x 240 Bildpunkte, 16 Farben
• 120 x 240 Bildpunkte, 256 Farben
• die Anzahl Bildpunkte horizontal und vertikal sind in weiten Bereichen wählbar. Im Extremfall ist die Auflösung nur ein einziger Bildpunkt groß.
• "Pageflipping" ist möglich.
• die Farbpalette kann aus insgesamt 256 Farben zusammengestellt werden.
• Sound
• drei Rechteckgeneratoren für einfache Toneffekte
• 8 Bit Sound D/A Wandler für komplexere Geräusche und Signalverläufe
• Lautstärkemischer für die Rechteckgeneratoren, zwei Generatoren können beliebig laut auf den linken oder rechten Audiokanal gelegt werden (Stereo), der dritte Rechteckgenerator wird in beliebiger Lautstärke auf die Stereokanäle gleichverteilt (Mono).
• Anschlüsse
• SCART Buchse für den Anschluss an einen Fernseher. Achtung: TS-1 erzeugt ein RGB plus Composite Sync Signal, kein FBAS Signal! Nicht jedes Wiedergabegerät mit SCART Anschluss unterstützt das RGB Format. In einem solchen Fall ist ein RGB nach FBAS Konverter notwendig (Achtung, Qualitätsverluste!). Viele einfache Schaltungsbeispiele hierfür finden sich im Internet (Baustein von Motorola: MC1377, Analog Devices: AD724).
• zwei Joystickanschlüsse, kompatibel zum früheren Gameport des PCs, so dass sich die älteren analogen Joysticks für die PCs direkt anstecken lassen. Leider sind die momentan erhältlichen Joysticks mit USB ausgerüstet und können somit nicht an TS-1 angeschlossen werden. Für den Bastler ist es jedoch leicht möglich, einen preisgünstigen USB Joystick in einen Gameport-kompatiblen Joystick umzurüsten. Es sind dazu die X-Y-Potentiometer und zwei der Feuerknöpfe auf einen 15poligen SUB-D Stecker zu führen.
• PS/2 Buchse für den Anschluss eines PS/2 Gerätes (Tastatur/Maus)
• 12V DC Buchse für Steckernetzteil (verpolungssicher).
• Lötstifte für serielle Schnittstelle (CMOS 5V Pegel!).
• Lötstifte für vier externe Funktionstaster
• Lötstift für externen Resettaster

Ist TS-1 für mich interessant?

Die Funktion von TS-1 wird durch die Software und damit vom Programmierer bestimmt. Durch die vier analogen 10Bit Eingänge (Joysticks), den vier digitalen Eingängen zusammen mit der Tastatur, der seriellen Schnittstelle und der Videoausgabe ergibt sich ein breites Anwendungsgebiet. Erfahrung im Umgang mit AVR Prozessoren und Kenntnisse in der Programmiersprache C und/oder Assembler sind zu empfehlen. Wer sich bereits mit anderen Mikrokontrollern auseinandergesetzt hat, dem sollte es nicht schwer fallen, sich in die AVR Familie hineinzudenken. Informationen und Entwicklungswerkzeuge rund um die AVR Prozessoren sind aufgrund der hohen Beliebtheit im Internet im Überfluss zu finden.

Mit den fertigen Leiterplatten ist der Aufbau der Hardware sehr einfach. Die Bestückungspläne und Stücklisten befinden sich in der Archivdatei. Es müssen auf der Hauptplatine nur bedrahtete Bauteile verlötet werden. Die Einsteckplatine kann auf Wunsch gegen Aufpreis hand-SMD bestückt geliefert werden. Auf dem Prozessor befindet sich dann bereits das lauffähige Testprogramm (für eine Taktfrequenz von 5MHz). So kann leicht geprüft werden, ob die Hauptplatine nach der Bestückung funktioniert.

• Hauptplatine (Maße ca. 165 x 110 mm, unbestückt) 35,00 Euro
• Einsteckplatine (Maße ca. 86 x58 mm, unbestückt) 20,00 Euro
• Einsteckplatine SMD bestückt 35,00 Euro

Preise inklusive Mehrwertsteuer, zuzüglich 4 Euro Verpackung und Versandkosten, bei Bestellung per Nachnahme zusätzlich Nachnahmegebühr.

Der Preis für die Bauteile der Hauptplatine liegt bei ungefähr 20,00 Euro.

Wer es aufgrund der Schaltpläne vorzieht, eine eigene Leiterplatte zu entwerfen, sollte allerdings über fundierte Kenntnisse im Layoutdesign und ein gutes CAD Programm verfügen.

Schließlich sollte man viel Zeit mitbringen und viel Spaß haben am Tüfteln und Ausknobeln von (Spiele-) Software. Dokumentation zu TS-1 befindet sich in der Archivdatei in Form von Sourcecode und einem kleinen Programmierbeispiel, das den Anwender in ein paar grundsätzliche technische Features von TS-1 einführt. Sollte TS-1 auf breiteres Interesse stoßen, wird die Dokumentation erweitert. Bis dahin kann sich jeder mit seinen Fragen an TS-1@Albotronic.de wenden. Fragen von allgemeinem Interesse können später in einer FAQ hier nachgelesen werden.

Gute Ideen oder interessante Softwarelösungen werden wir hier gerne anderen Nutzern zur Verfügung stellen.

Screenshots des Spiels "Rolling Rocks"

Wie wird TS-1 programmiert?

Sämtliche Software zur Programmierung von TS-1 ist kostenlos im Internet verfügbar. "WINAVR" ist eine komplette C Entwicklungsumgebung und bietet außerdem ein Software-Programmiertool für das Einspielen von Programmen in die AVR Prozessoren. Zwischen dem PC und TS-1 ist eine AVR Standard  Programmierhardware (ein Programmieradapter) erforderlich. Im Internet finden sich auch hierzu viele Vorschläge zum Selbstbau.

In Verbindung mit dem AVR Studio (kostenlos bei www.Atmel.com erhältlich) und einem JTAG Adapter (ca. 50 Euro, Firma OLIMEX oder im Elektronikladen erhältlich) ergibt sich ein voll debug-fähiges System. Für alle diejenigen, die bereits AVR Prozessoren programmiert haben, sollte der Anschluss von TS-1 an deren Entwicklungsumgebung ein Leichtes sein.

Apfelmännchen (Mandelbrotmenge) mit TS-1 berechnet, 480 x 240 Pixel / 16 Farben

Der kürzeste Weg zu TS-1?

Wer noch mehr Informationen über TS-1 haben möchte, der sollte sich die Archivdatei herunterladen. Dort befinden sich viele Informationen, Bestückpläne, eine Stückliste mit den Bestellnummern der Bauteile, Aufbauhinweise, Schaltpläne und Beispielsoftware. Wer sich daraufhin für TS-1 interessiert, druckt die Stückliste aus, bestellt die Bauteile, bestückt die bei Albotronic erhältliche Leiterplatte der Hauptplatine anhand des Bestückungsplans, bestückt die übrigen Bauteile der bereits SMD bestückten Einsteckplatine, besorgt sich WINAVR aus dem Internet, die Programmierhardware (selber bauen oder im Fachhandel besorgen) und los geht's!

Screenshot von PAC-IT