基于Arduino的JVS街机I/O板USB HID改造方案

1. 项目概述与核心挑战

手头这台服役多年的世嘉Crazy Taxi街机，其核心的NAOMI主板最终还是没能扛过时间的考验，彻底罢工了。对于像我这样习惯了折腾老式街机改造的人来说，这既是挑战，也是乐趣的开始。我之前处理过不少90年代前的JAMMA标准机台，也做过一些接口板，但这次面对的是更现代的JVS标准机柜，情况有些不同。

JVS，全称Jamma Video Standard，是90年代末期许多街机制造商采用的新一代标准。它摒弃了老式JAMMA将所有信号（视频、音频、控制）挤在一个56针连接器里的做法，转而使用独立的VGA接口、RCA音频接口，以及一个基于RS485串行通信的控制协议。机柜的控制面板输入输出，就靠一块专门的I/O板来管理。这块板子负责采集玩家的摇杆、按钮等所有操作，通过RS485总线发送给主板，同时接收主板指令，控制机柜里的灯、计数器等输出设备。

问题就出在这里。虽然原装的世嘉JVS I/O板上确实有一个USB接口，但你直接把它插到电脑上，电脑是认不出来的。这就像两个人语言不通，一个说RS485“方言”，一个只懂USB“普通话”，根本无法交流。这就是将一台JVS时代的街机连接到现代PC进行模拟器游戏时，需要解决的核心技术障碍：协议转换。

市面上常见的解决方案，是在原装I/O板和PC之间加一个RS485转RS232的硬件转换器，再配合一个在PC端将串口数据模拟成游戏手柄信号的软件。这条路我研究过，但发现很多方案对模拟摇杆、方向盘这类模拟量输入的支持很弱，甚至没有。而我的Crazy Taxi恰恰有三个模拟输入（方向盘、油门、刹车），这让我不得不另寻他法。

我的思路更直接：既然原装板子与PC沟通不畅，干脆把它换掉。用一块我们自己设计的、能直接说“USB普通话”的板子来替代。基于Arduino平台，尤其是内置USB功能的ATmega32U4芯片（比如Arduino Leonardo或Pro Micro），我们可以轻松实现一个标准的USB HID（人机接口设备），让电脑把它识别为一个即插即用的游戏手柄或摇杆。这样，控制路径就简化为“控制面板 -> 我们的HID板 -> PC模拟器”，省去了中间复杂的协议转换环节，也原生支持了模拟输入。

2. 硬件设计：从原理到实现

2.1 核心芯片选型与架构设计

选择Arduino Pro Micro（ATmega32U4）作为核心，是基于几个现实的考量。首先，它原生支持USB HID，无需额外的USB转串口芯片，减少了复杂度和潜在延迟。其次，Arduino生态成熟，有大量现成的库（比如Matthew Heironimus的Joystick库）可以调用，开发效率极高。最后，它的GPIO数量对于这个项目来说，既是优势也是挑战。

原装世嘉JVS I/O板的功能相当丰富。以最常见的Type 1版本（型号837-13551-92）为例，它需要处理每玩家最多14个数字输入（开始、投币、4向摇杆、7个动作键、服务键），外加2个辅助开关（测试、倾斜）和8路模拟输入。输出方面，则要驱动多达28个指示灯或继电器。ATmega32U4的GPIO显然不够用。

我的解决方案是使用数字逻辑芯片进行扩展。对于大量的数字输入，我采用了4片74HC165这样的8位并行输入转串行输出移位寄存器。控制面板上所有的按钮、开关信号以并行方式接入这些芯片，然后通过SPI总线，由Arduino以串行方式快速读取。这就像把一条宽阔的多车道公路（并行信号）收窄成一个收费站通道（串行SPI），虽然一次只能过一辆车（一位数据），但通过快速轮询，可以高效地获取所有车道的信息。

对于8路模拟输入，则简单直接得多。Arduino Pro Micro本身提供了多路ADC（模数转换器）引脚，我将它们直接引接到对应的接口上，无需额外芯片。

输出部分，我使用了一片74HC595串行输入转并行输出移位寄存器，配合一片ULN2003达林顿晶体管阵列来驱动负载。ULN2003的每个通道能提供最高500mA的驱动电流，足以点亮街机里常见的那些1W白炽灯泡（工作电流约200mA）。这里有一个非常重要的注意事项：ULN2003的总功耗是有限的，所有通道的电流总和不能超过1A。千万不要试图用它直接驱动大功率负载，比如力反馈电机，否则芯片会瞬间过热损坏。对于大电流负载，必须设计外置的驱动板，我们的板子只提供控制信号。

2.2 接口兼容性与电源设计

世嘉的JVS I/O板有过三个主要版本，接口定义和数量有所不同。为了让我们的替换板有更好的通用性，我在设计时尽可能兼容了这三种类型。

• CN3 (60针): 这是Type 1和Type 3板的核心连接器，包含了主要的数字输入和输出信号。
• CN4 (26针): 这是所有版本共用的模拟输入接口。
• CN2 (40针) 和 CN1 (34针): 分别是Type 2板的数字输入和独立输出接口。为了兼容，我的板子上也预留了它们的焊盘位置。

这些接口的信号在板内是互连的。例如，玩家1的开始按钮信号，无论在60针还是40针接口上定义，在板内都连接到了同一个输入移位寄存器的引脚上。这样做有个额外的好处：如果机柜本身有一些闲置的输入引脚，用户可以利用这些并联的接口，在不破坏原装线束的前提下，额外接出几个按钮，用于前端菜单导航等扩展功能。当然，我强烈不建议为此在珍贵的原装控制面板上钻孔。

电源设计上，我采用了分离供电策略。板上的逻辑芯片和单片机由USB接口的5V供电。而驱动灯泡的输出电路部分，则需要更强的电流，因此设计了独立的供电接口CN5/CN6，要求接入外部的+5V电源（至少1.5A），这通常可以直接使用街机柜内原有的电源。

这里有一个必须极度警惕的安全警告：CN5/CN6接口没有设计防反接保护电路。如果你不小心将外部电源的正负极接反了，板上所有的芯片，包括Arduino，都会在瞬间烧毁。如果此时板子还通过USB连着电脑，电脑的USB端口也可能遭殃。在接线时，务必、务必、务必确认极性。

2.3 PCB设计与SMT贴片心得

为了追求更小的体积和更好的稳定性，这次我全部采用了表面贴装器件。我将设计好的PCB文件交给了JLCPCB进行制造和SMT贴片组装。这不是我第一次使用他们的服务，整体的体验和成品质量都令人满意。

对于想尝试SMT贴片的新手，这里有一些我踩过坑后总结的实操心得：

1. 设计检查是重中之重：在提交Gerber文件前，一定要用EDA软件运行设计规则检查（DRC）和电气规则检查（ERC）。板子做出来再飞线修补就太难看了。
2. 物料清单（BOM）和坐标文件（CPL）的准确性：JLCPCB需要你上传BOM和CPL文件来自动匹配元件。确保你的元件库中的参数（尤其是封装和数值）是正确的。我曾遇到过电阻排被软件误识别为普通电阻的情况，如果在提交前不仔细核对元件预览图，贴出来肯定是错的。
3. 善用元件搜索：JLCPCB的元件库可能没有你原理图中指定的某个具体型号。别慌，尝试用更通用的关键词搜索。比如，把“CD74HC14M”换成“74HC14”，通常能找到更多可用的替代选项。
4. 信任但也要核查：上传文件后，网站会生成一个板子的可视化预览，显示元件摆放位置。这时你可能会发现某些IC的方向看起来是错的。先别急，JLCPCB的工程师会在生产前进行审核和校正。如果真有严重问题，他们会联系你确认。这个预览界面主要是让你核对“有没有元件缺失”，而不是“元件方向对不对”。

3. 固件开发：让硬件“活”起来

3.1 开源固件与核心逻辑

硬件的骨架搭好了，接下来就需要固件（Firmware）来赋予它灵魂。我选择完全开源固件代码，因为不同的街机柜（双人格斗台、赛车座舱、光枪射击台）其控制面板配置千差万别，一个“万能但臃肿”的固件远不如多个“量身定制”的固件来得高效和灵活。

我编写了两个主要的演示固件，放在了GitHub项目页面上。

• JVSCab2PC_2P: 适用于双玩家、最多每玩家7个按钮的格斗或动作类机台。这个固件将板子模拟成一个拥有30个数字按钮的USB游戏手柄。它轮询所有数字输入（通过移位寄存器），当检测到按钮状态变化时，通过USB向PC发送对应的手柄按键按下或释放信号。
• JVSCab2PC_DRIVING: 适用于单玩家赛车座舱，比如我的Crazy Taxi。它模拟成一个拥有3个模拟轴（方向盘、油门、刹车）和12个数字按钮的USB摇杆。这是支持模拟输入的关键。

两个固件都基于一个优秀的开源库：Matthew Heironimus的Arduino Joystick Library。这个库让HID设备模拟变得非常简单，并且与键盘、鼠标库兼容，为未来实现多模式HID设备留下了可能。

输入处理的核心逻辑在于高效读取移位寄存器。我借鉴了Nick Gammon的一篇关于74HC165的文章中的代码。在Arduino的loop()主循环中，程序会不断地通过SPI读取4片输入移位寄存器的状态（总共32位，对应32个数字输入），并与上一次循环的状态进行比较。一旦发现任何一位发生了变化（从0到1或从1到0），就立即通过Joystick.setButton()函数向PC报告对应的按钮事件。为了消除机械开关的抖动，代码里还实现了简单的软件消抖。

3.2 模拟量处理与“组合键”技巧

对于赛车固件，模拟量的处理是关键。Arduino的analogRead()函数会读取ADC引脚上的电压值（0-5V对应0-1023）。但直接把这个值发送给PC是不行的，因为USB摇杆的模拟轴范围通常是-32767到+32767。我们需要做一个映射：

int rawSteer = analogRead(STEER_PIN); // 读取原始值，0-1023 int mappedSteer = map(rawSteer, 0, 1023, -32767, 32767); // 映射到摇杆范围 Joystick.setXAxis(mappedSteer); // 设置X轴（方向盘）

油门和刹车也同理。这里有个细节：很多赛车踏板在松开时是满电压（5V），踩下时电压降低。你可能需要在映射前用1023 - rawValue进行反转。

另一个实用的技巧是针对输入引脚有限的机台（比如只有几个按钮的赛车）。我在JVSCab2PC_DRIVING固件中实现了一个“组合键”功能：当“开始”按钮被按住时，再按其他按钮，会触发另一套按键映射。这样，有限的物理按钮就能实现菜单导航、视角切换等更多功能，而无需改造控制面板。

3.3 输出功能与性能考量

目前的演示固件主要处理输入，输出功能暂未启用。但硬件上已经预留了通过74HC595和ULN2003驱动输出的能力。如果你想测试输出，可以在loop()函数末尾添加一个简单的控制函数，让输出通道以一定频率闪烁。

关于性能，大家最关心的是输入延迟。我进行了一个简单的测试：测量当同时按下6个按钮（模拟最极端情况）时，主循环loop()的执行时间增加了多少。测试结果如下：

• JVSCab2PC_2P(纯数字)：循环时间从空闲时的<0.4ms增加到3.8-5.0ms。
• JVSCab2PC_DRIVING(含模拟量)：循环时间从<3.2ms增加到8.6-9.8ms。

可以看到，处理模拟量读取和计算确实会增加一些开销。但在实际游戏中，几乎不可能出现精确到同一毫秒内按下6个按钮的情况。在更现实的“同时”按下3个按钮的场景下，延迟分别降低到1.0-1.6ms和4.8-6.0ms。如果是单按钮操作，延迟就与空闲循环时间无异。这个延迟水平，对于街机游戏来说是完全可接受的，尤其是赛车游戏对帧级精确输入的要求不如格斗游戏那么苛刻。

4. 安装、配置与问题排查

4.1 硬件安装步骤

以我的SEGA NAOMI通用机柜为例，安装过程其实很直接：

1. 安全第一：断开街机柜的所有电源。
2. 拆卸旧板：打开控制台面板，你会看到一堆线缆连接着原装的JVS I/O板。拧下固定它的4颗螺丝，小心拔掉上面的所有连接器。主要是那个最大的60针排线（数字I/O）和那个较小的26针排线（模拟输入）。
3. 安装新板：将我们的JVSCab2PC板子固定在原位置。最关键的一步来了：将60针和26针的连接器插回新板。务必注意接口方向！两个连接器上都有防呆缺口，这个缺口必须对准板子上插座标出的缺口方向。如果强行反插，后果就是烧板子。
4. 连接电源：如果你需要用到输出功能（驱动灯泡），找到机柜电源提供的+5V线，连接到板子的CN5或CN6接口。再次警告：请用万用表确认极性，红线接+5V，黑线接GND。
5. 连接PC：最后，用一根USB A to B方口线（就是常见的打印机线），将板子连接到你的电脑。

首次连接时，Windows可能会提示安装驱动程序。这是因为Arduino Pro Micro默认使用的是ATmega32U4的USB转串口驱动。你可以根据系统提示自动搜索，或者去Arduino官网下载对应的驱动。安装一次后，这台电脑就会把它识别为一个标准的游戏控制器。

4.2 软件配置与测试

硬件连接好后，你可以在Windows的“设置 -> 游戏控制器”里看到一个新设备。打开“属性”，就可以测试每个按钮和模拟轴是否响应正常。

接下来就是在你喜欢的模拟器里进行映射了。无论是MAME、Supermodel（世嘉Model 3模拟器），还是TeknoParrot（现代街机模拟平台），配置过程都和设置一个普通的USB手柄一模一样。以MAME为例，进入游戏的输入设置菜单，按下你想映射的键位（如“Player 1 Start”），然后按下街机控制台上对应的开始按钮，MAME就会自动识别并绑定。

对于赛车游戏，你需要将方向盘、油门、刹车分别映射到模拟摇杆的X轴、Y轴、Z轴或油门刹车轴上。记得在模拟器的控制器设置里，校准一下这些模拟轴的范围，确保从最左到最右、从松开到踩死都能被正确识别。

4.3 常见问题与排查实录

在实际安装和调试过程中，你可能会遇到以下问题。这里是我的排查记录：

最后一点个人体会是，改造老设备，尤其是街机这种充满时代情怀的东西，平衡“功能实现”与“原样保留”很重要。这套方案的核心价值在于“无痛替换”——它直接利用了原装的线束和接口，没有对机柜进行任何不可逆的修改。原装的JVS I/O板可以完好地保存起来。当某天你想让机器恢复原状，或者它的价值更多在于收藏时，你可以轻松地换回原装板子，这台街机依然是一台完整的、原始的SEGA NAOMI街机。这种可逆的现代化，才是对经典最好的致敬。