在 Arduino 中使用 Wii 双节棍

关于这个项目

前言

最初，这篇文章发表在 www.xarg.org。

使用带有 Arduino 的 Wii 双节棍

我们都是在手中握着游戏手柄长大的，这使得它们非常适合将它们与几乎任何可能的应用程序结合起来。任天堂的一项伟大发明是 Nunchuk，它是 Wii U 遥控器的廉价扩展。由于它使用 I2C 作为传输协议，因此很容易访问控制器的原始数据。由于它是如此简单，我认为必须有一个标准的解决方案，但找不到稳定的实现，只有大量的代码片段。这就是为什么我专注于填补这个空白，它就在这里。在本文中，我将引导您了解详细信息并在 Arduino 上实现它。

硬件

Nunchuk 有两个薄膜按钮，称为按钮 C 和按钮 Z。设备顶部是一个模拟两轴操纵杆，整个设备对运动很敏感，因为加速度计测量作用在所有三个维度上的力。建议使用 3v3 操作 Nunchuk，如果您无法提供该电压以延长其使用寿命，则绝对应该使用电平转换器。此设置至少需要以下部件：

零件

• 任天堂双节棍（或复制品）

• 阿杜诺

• 电平转换器（可选）

• Nunchuk 适配器（可选）

原始双节棍或复制品

最大的问题是，您应该购买原始的任天堂双节棍还是中国的复制品？为了测试我的 Nunchuk 驱动程序，我购买了原版和便宜的副本。两个版本都远不贵，但相差大约10-15欧元。我可以说的是，原始 Nunchuk 的电缆线是屏蔽的，这使得它们更强大地抵抗干扰。原版的摇杆质量更高，可以解析所有数值范围内的所有动作，而副本不会对最小动作做出反应。原厂的加速度计质量也更好。但是，我应用了卡尔曼滤波器来平衡这些差异。所以，如果你想要一个长寿命的控制器，我会选择原版，如果你只需要一个便宜的输入设备，你可能会幸运地拥有一个 Nunchuk 副本。

双节棍连接器

任天堂使用专有插头连接所有外围设备。因为我没有 Wii 并且不会将控制器用于与游戏相关的事情，所以我撕开了连接器。你可以花几块钱买一个 Nunchuk 适配器，如果你不想做这个激烈的步骤，但是有了一些焊接技巧，无论如何你应该能够修理插头。我建议打开插头，因为您可以看到电线是如何连接到引脚的。这对于 Nunchuk 复制品尤其重要，因为电线可以随机连接。另一个奇怪的是，原来的控制器有4根线，复制品有5根，而连接器实际上有6针。好的，让我们开始工作，打开连接器：

并切断电线：

从插头正面看时，您会看到这些引脚：

对于原版的 Nunchuk，以下是连接器的颜色和引脚布局：

• 绿色 → SDA

• nc

• 红色 → 3v3

• 白色 → GND

• nc

• 黄色 → SCL

对于我得到的 Nunchuk 克隆，以下是连接器的颜色和引脚布局：

• 黄色 → SDA

• 黑色 → nc

• 绿色 → 3v3

• 红色 → 接地

• nc

• 白色 → SCL

正如我所说，您绝对应该查看电线的布局方式，而不是通过颜色连接任何东西。使用的首字母缩写词是：nc 对于未连接，SDA-数据线（必须与Arduino板上的A4连接）和SCL-时钟（与A5连接）。 Arduino 有一个电压调节器，它允许我们直接使用 3v3。如果您想使用 WiiChuck 或类似的 Nunchuk 适配器，请将 3v3 与 A2 连接，将 GND 与 A1 连接 - 您稍后需要调用 nunchuk_init_power() 初始化这些电源连接器。以下 Fritzing 草图说明了这种联系：

软件

我写了一个小的头库，实现了与Nunchuk的通信。事实上，您不必担心幕后发生的事情，它应该是开箱即用的。如果你对细节感兴趣，我会在一分钟内解释这个。

下载双节棍图书馆

与 Nunchuk 的通信是通过 TWI 总线进行的，这只是 I2C 的另一个名称（好吧，有些细节是不同的，但这对我们的目的并不重要）。 I2C 总线的速度默认设置为快速模式 (400kHz)。为了在您的 Arduino 中使用 Nunchuk，只需要以下内容：

#include #include "nunchuk.h"void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); // nunchuk_init_power(); // A1 和 A2 是电源 nunchuk_init();}void loop() { if (nunchuk_read()) { // 使用 nunchuk_data nunchuk_print(); } 延迟（10）；} 

启动库附带的处理文件时，您可以用 Nunchuk 平衡这个锥体：

而不是 nunchuk_print() 很多函数可以用来访问实际数据：

双节棍函数

• nunchuk_buttonZ(): 1 或 0，是否按下 Z 按钮

• nunchuk_buttonC(): 1 或 0，是否按下 C 键

• nunchuk_joystickX_raw() / nunchuk_joystickX() nunchuk_joystickY_raw() / nunchuk_joystickY(): 操纵杆的 x 或 y 值。每个函数都有一个原始版本，无需校准即可访问数据。

• nunchuk_joystick_angle(): 以弧度为单位计算操纵杆的角度。

• nunchuk_accelX_raw() / nunchuk_accelX() nunchuk_accelY_raw() / nunchuk_accelY() nunchuk_accelZ_raw() / nunchuk_accelZ(): x-、y- 或 z- 加速度计的值。每个函数都有一个原始版本，无需校准即可访问数据。

• nunchuk_pitch()： 以弧度为单位计算控制器的俯仰角。

• nunchuk_roll(): 以弧度为单位计算控制器的滚动角。

注意： 没有 nunchuk_yaw() 功能，因为加速度计只能测量方向力而不能测量旋转速度。这种情况也将俯仰限制为仅 180°，并在俯仰大于 180°时迫使横滚角错误。

俯仰角和滚转角的计算也在一个简化的假设下进行，即作用在控制器上的唯一速度是重力。这是有效的，因为 Nunchuk 要么保持静止，要么在外力作用下保持恒定速度。

校准

如功能概述中所述，操纵杆和加速度计的每个功能都带有校准版本和原始版本。在库文件的开头，一些常量定义了零位置。最好的办法是读取控制器的原始测量值，当您将其保持在中立位置并相应地调整常量时。

I2C 协议

此处的最后一部分讨论了实际的 I2C 协议。如果你只是想使用控制器，这个信息是不需要的，但是如果你想了解协议，我希望我能节省你一些时间。

我通过使用 I2C 扫描器扫描 Nunchuk 的实际地址（0x52）开始开发。通过 I2C 总线从 Nunchuk 的存储器读取参数与与普通 I2C EEPROM 的通信非常相似。在可以读取来自 Nunchuk 的数据之前，需要发送一个初始化序列。

为了从 Nunchuk 读取数据，必须发送要读取的地址，因为 Nunchuk 的控制器会在每次读取时递增地址。我们真正感兴趣的数据位于地址 0x00 处，长度为 6 个字节。在地址 0x20 和 0x30（似乎是 0x20 字节的精确副本），存储了 16 字节的校准数据。在地址 0xFA 处，您可以找到设备的标识号，Nunchuck 为 0xA4200000，Classic Controller 为 0xA4200101，Balance 为 0xA4200402 等等。

当需要将数据写入 Nunchuk 时，格式类似于读取命令。第一个字节是地址，后面是实际数据。

让我们来看看 Nunchuk 的实际字节序列，用于描述的功能：

1. 初始化双节棍：

开始，0x40，0x00，停止 

这个序列是正常的初始化序列，它将加密算法设置为默认值。从 Nunchuk 读取的每个字节都必须用 (x ^ 0x17) + 0x17 解密 .更好的方法是使用此序列禁用加密：

2. 不加密初始化双节棍：

START, 0xF0, 0x55, STOPSTART, 0xFB, 0x00, STOP 

这样做的好处是无需解密公式即可使用实际数据，并且也适用于 Nunchuk-clone。

3.从扩展寄存器中读取设备标识：

START, 0xFA, STOPREAD 6 字节 

如果连接的设备是 Nunchuk 或 Classic 控制器等，数据就是我已经提到的 ident。

4. 从设备读取测量值：

START, 0x00, STOPREAD 6 字节 

此概述中描述了您获得的回报：

• 位字节 7 6 5 4 3 2 1 0

• 1 个操纵杆 X 轴 [7:0]

• 2 操纵杆 Y 轴 [7:0]

• 3 加速度计 X 轴 [9:2]

• 4 加速度计 Y 轴 [9:2]

• 5 加速度计 Z 轴 [9:2]

• 6 Az [1:0] Ay [1:0] Ax [1:0] ¬Bc ¬Bz

因此，按钮值被反转，加速度计的 LSB 位包含在字节 6 中。在库中，我将 LSB 位与其余位组合在一起。我见过有人使用没有 LSB 位的值，这是让信号更稳定的一种过于简单的方法。对我来说，我更喜欢来自 ADC 的噪声信号，它可以使用互补或卡尔曼滤波器轻松过滤，而不是通过舍入来截断数字 - 这样会丢失大量信息。

5.从设备读取实际校准数据：

START, 0x20, STOP READ 16byte 

此概述中描述了您获得的回报：

字节

说明

• X 轴的 1 0G 值 [9:2]

• 2 Y 轴的 0G 值 [9:2]

• 3 Z 轴的 0G 值 [9:2]

• X、Y、Z 轴零值的 4 LSB

• 5 X 轴的 1G 值 [9:2]

• 6 Y 轴的 1G 值 [9:2]

• 7 Z 轴的 1G 值 [9:2]

• X、Y、Z 轴的 1G 值的 8 LSB

• 9 操纵杆 X 轴最大值

• 至少 10 个操纵杆 X 轴

• 11 操纵杆 X 轴中心

• 最大 12 个操纵杆 Y 轴

• 13 操纵杆 Y 轴最小值

• 14 摇杆 Y 轴中心

• 15 校验和

• 16 校验和

字节 0-3 存储 X、Y 和 Z 轴的零值，而字节 4-7 存储 1G（地球引力）的值。校准数据尚未用于软件实现。

代码

• 代码片段 #1

代码片段 #1纯文本

#include #include "nunchuk.h"void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); // nunchuk_init_power(); // A1 和 A2 是电源 nunchuk_init();}void loop() { if (nunchuk_read()) { // 使用 nunchuk_data nunchuk_print(); }延迟(10);}

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