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MaxDuino：RP2040 PIO驱动的复古磁带加载仿真器

基于RP2040 PIO实现ZX Spectrum、C64、Amstrad CPC磁带波形精确生成，提供工程参数与USB接口实践要点。

复古计算机如 ZX Spectrum、Commodore 64（C64）和 Amstrad CPC 时代，主要依赖磁带存储程序和游戏加载。这些磁带信号本质上是特定频率和占空比的音频波形，包括 pilot 音（连续正弦波用于同步）、同步脉冲和数据位（长 / 短脉冲编码 0/1）。传统复古磁带播放器易损耗且不便携带，而现代解决方案如 MaxDuino 利用 RP2040 芯片的 PIO（可编程 I/O）外设，实现高精度波形生成，通过 USB 接口模拟真实磁带输出，避免 CPU 中断干扰，确保加载成功率近 100%。

RP2040 的 PIO 是其核心优势：每个 PIO 块含 4 个状态机（SM），每个 SM 独立执行 16 位指令，支持精确时序控制，无需 CPU 干预。不同于软 PWM 或 DMA，PIO 可生成亚纳秒级精确波形，适合磁带信号的 kHz 级 pilot（ZX Spectrum 为 2168Hz 正弦）和数据脉冲（806μs/322μs）。例如，ZX Spectrum TAP 文件格式中，pilot 块为 8060 个周期（约 3.7s），每个周期正负半波精确对称；数据位 0 为短 pilot（半周期），1 为全周期。通过 PIO 状态机循环输出这些脉冲，结合 DMA 从 SD 卡或 USB 缓冲区读取波形数据，实现流式播放。

在 MaxDuino 设计中，PIO SM 配置为波形发生器：使用set pins、wait和jmp指令控制高 / 低电平持续时间。核心 PIO 汇编示例（简化）：

.program cassette_wave
    wrap_target
    ; Pilot tone: 高低交替，频率2168Hz (RP2040 125MHz sysclk下clkdiv≈57.6)
    set pins, 1  side 1 [28]  ; 高电平持续~448ns*28≈12.5μs
    set pins, 0  side 0 [28]  ; 低电平对称
    jmp wrap        ; 循环

实际参数需根据目标机型调优：

  • ZX Spectrum：Pilot 2168Hz（周期 461μs，高 / 低 230.5μs）；Sync 脉冲 1.657ms 低 + 835μs 高；数据 0: 半 pilot（230μs 高 + 230μs 低）；数据 1: 全 pilot。PIO clkdiv= f_sysclk / (2 * f_pilot * cycles_per_half)，设 sysclk=125MHz，cycles_per_half=28，clkdiv≈57。
  • C64：Pilot 约 4-5kHz 方波，阈值浮动需幅度调至 1-2Vpp；数据脉冲 8/4 周期（kHz 级）。
  • Amstrad CPC：类似 ZX，但频率略异（1000Hz pilot）。

硬件清单：

  1. RP2040 板（如 Pico），GPIO0-1 输出音频（单声道）。
  2. USB 接口模拟串口音频，或 3.5mm 耳机孔适配复古机 MIC/REM。
  3. R-2R DAC（可选 8 位，提升波形纯度，GPIO0-7）。
  4. SD 卡槽加载 TAP/TZX 文件（tzxtools 解析支持 ZX/C64/MSX）。
  5. OLED 显示文件列表 / 进度（I2C）。

工程实现步骤：

  1. 固件基础：MicroPython 或 C SDK，pioasm 编译 PIO 程序为.h 头文件。加载 TZX 块：用 DMA 链式传输波形样本到 PIO TX FIFO。
  2. 波形解析：读取 TAP（纯波形 dump）或 TZX（压缩块），解码 pilot/sync/data。Python 示例： 
    import rp2
@rp2.asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def pilot_pulse():
    wrap_target()
    set pins, 1 [half_cycles]
    set pins, 0 [half_cycles]
    wrap()
sm = rp2.StateMachine(0, pilot_pulse, freq=125e6, set_base=Pin(0))
sm.active(1)
  3. USB 接口：枚举为音频设备（UAC），主机 PC 加载文件后流式传输。或 Mass Storage+CDC，复古机视作 “磁带机”。
  4. 参数调优：示波器验证脉冲宽度（误差 < 5%）；幅度 1.5Vpp（复古机阈值）；添加低通滤波（RC 10kΩ+1nF，截止～15kHz）防高谐波干扰加载。

监控与调试要点：

  • 阈值：加载失败率 > 5% 时，检查波形失真（PIO clkdiv 偏移）；超时重试（>30s 视为失败，回滚默认 pilot）。
  • 回滚策略：固件内置纯 pilot 模式，手动按钮切换机型。
  • 风险限：复古机 EAR/MIC 阻抗不均（10k-100kΩ），加运放缓冲（LM358）；文件兼容（TZX 块需完整解码）。
  • 性能：PIO 负载 <10%，CPU 闲置率> 90%，支持实时目录浏览。

类似项目验证有效性：CASDuino（Arduino Nano）用 PWM 模拟，但抖动高（>10%），加载易失败；RP2040 PIO 零抖动，优于 FPGA 低成本方案。

此方案成本 < 20 元，体积掌心大小，便携复古游戏利器。未来扩展：多通道支持 Amstrad 立体声、多格式 WAV 解码。

资料来源：

  • RP2040 PIO 文档：精确波形生成状态机。[1]
  • TZX 工具：ZX/C64 磁带格式解析。[2]

[1] RP2040 数据手册 PIO 章节。 [2] tzxtools GitHub，支持 ZX Spectrum TZX 块提取。

（正文约 1250 字）

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