一、动机
自从2002年拥有第一台GBA开始到2006年买的NDS，除了在两上掌机上开发程序之外，一直希望能扩展硬件做一个小车机器人。但由于当时软硬件知识的匮乏以及动手能力有限，一直没有进展。
最近无意搜到一款几年前发布的开源硬件DS brut，这是我目前了解的第二个开源NDS扩展硬件。第一个是DSerial。当时差不多2009年左右非常想买一块DSerial，可惜人在国内不方便国际邮购。如今这两个产品都已售罄，而自己感觉DIY的能力应该可以自己做一个以DS brut为基础的扩展，于是有了本篇博文。
二、背景
NDS硬件扩展主要有两种方式：(1) slot 1接口扩展 (2) slot 2接口扩展。前者为NDS卡接口，后者为GBA卡接口。slot 1接口只有17根线，而GBA接口则有32根线。两种方式扩展都有人做。
2.1、Slot 1接口扩展
Slot 1接口扩展主要有DS brut和DSerial。
通过查看DS brut和DSerial的电路图，可以了解到以下几个主要信息：
图1. DS brut扩展电路
图2. DS brut卡实图
（1）DS brut用的atmega168 8位单片机，
（2）DSerial用的是51系列8位单片机，
（3）两者都使用NDS的slot 1接口(NDS游戏卡接口)，
（4）两者都使用SPI接口实现单片机和NDS主机的通信，
（5）两者都没有使用slot 1接口中的D0至D5数据线作为数据交换(D6,D7为SPI总线上的数据线，即MISO, MOSI)，
（6）两者均使用slot 1接口的3.3V的VCC作为单片机电源，无需额外供电，
（7）两者均使用CPU内部晶振作为时钟来源，即都没使用外部晶振。
2.2、Slot 2接口扩展
在youtube上还有一个人将NDS通过slot 2接口以最简单的方式接上了Arduino，并实现通信，文章请点击这里。该方案只使用3根信号线完成通信，方案比较简单，但功能扩展也相对有限。
另一个扩展方案请点这里。该方案相对复杂，从标题来看，应该是从slot 2接口引出线后通过FTDI，即TTL串口转USB联接电脑进行通信。其实方案中只要用了TTL串口，和单片机或嵌入式板子通信就无障碍了，除了通信速率问题外。
三、方案设计
以上这些信息已基本给出NDS硬件扩展的大致方案。从容易性和扩展功能是否强大来看，Slot 2的三线扩展最容易，但功能最弱。DSerial的功能相对强大，但除了购买现成板子外，自己动手制做难度太大，而且51系列CPU开发难度相对Arduino更高。
3.1、基于DS brut的扩展
DS brut由于CPU采用Atmega168，并且提供了兼容Arduino的bootloader（从Lilypad版改良），因此单片机侧的软件开发将会非常容易，IDE和库以及文档也非常全面。再加上Atmega AVR系列单片机的最小系统非常简单，几乎只需要通电就行。因此，本方案将基于DS brut进行扩展，但不限制NDS卡带的宽度，可以将单片机外接，因此可以比DS brut有更多的GPIO和其它接口。
以下是DS brut的扩展电路：
图1. DS brut扩展电路
从图1中看以清楚看到除了220欧的R1电阻，发光二极管LED1，以及电源滤波的C1(100nf)，没有别的电子元件。而其中R1和LED1对扩展来说不是必须，也可以去掉。因此，电路非常简单，外行都可以DIY实现。
原始的DS brut为NDS卡大小，如图2所示：
图2. DS brut卡实图
3.2、扩展卡制做
考虑到单独开板的成本，硬件打算简易DIY。采用现成的NDS卡，但只使用引脚部分，将引脚和上部电路(卡套盖住部分)用美工刀切断电路连接，然后分别从每个引脚焊接引线，并从卡的上部引出。如果引线后卡套盖不住，可考虑将原卡电路板上的芯片去掉(用电烙铁和吸锡器)。
3.3、Arduino部分制做
由于为了电路简单，Arduino部分电源将直接引线到NDS Slot 1的3.3V VCC。CPU理论上可以采用Atmega 48/88/168/328 系列。DS brut采用了Atmega168。采用不同的CPU在后续烧写Arduino前需要改一下Arduino IDE对应的board.txt文件，这主要是因为设置不同的CPU的Operating电压(CPU的实际运行电压)需要设置CPU内不同的fuse bit。要实现fuse bit的设置有两个方法：（1）如果使用Arduino IDE进行bootloader和程序的烧写，需要改写Arduino安装路径下的board.txt文件，添加相应的profile。（2）如果使用avrdude进行命令行烧写bootloadert和程序的烧写则可在命令行添加fuse bit的参数。但不管采用这两种方法的哪一种，fuse bit的设置参数都应是一致的。而具体设置可以参考Atmega48/88/168/328 的DataSheet文档查到。
而传统大部分Arduino开发板采用的是5V电源，本质上Atmega的大部分AVR单片机可支持1.8V至5.5V输入（具体请参考官网，点这里）。不过输入电压和CPU的工作频率是有一定相关性的，有一篇文章关于这个问题有较详细的说明（请点这里）。Any way, 只要我们的Atmega单片机能够用3.3V驱动就可以了。
这里有一篇文章清楚介绍了如何设置Atmega328的fuse bits以运行电压在3.3V上工作，给出了具体实现过程：ATmega328 Fuse Bit Setting for 3.3V Vcc。
电压问题解决后，接下来就是Arduino的bootloader。DS brut定制了一个bootloader。跟据其readme文件说明，应该相对于Arduino的bootloader只是更改了一下WatchDog部分代码而以。另外DS brut是采用CPU内部晶振作为振荡源，和Lilypad一样。因此怀疑bootloader也是按Lilypad的版本改的，这部分我未验证。
关于Arduino环境中boards.txt文件(路径为：arduino版本号/hardware/arduino/boards.txt)的各个部分的解释可以参考这个官方文档：Bootloader Development。
avrdude不像Arduino先烧bootloader，然后通过bootloader用串口烧写应用程序。avrdude是个全功能的AVR烧写软件，可以烧写所有程序，包括bootloader，不过需要一个烧写硬件，如STK500或Smart ISP programmer。两种方式各有优缺点，具体可以跟据自己手上的现成硬件进行选择。avrdude的使用可以参考这篇官方教程：AVR Tutorial。
烧写bootloader的方式，DS brut给出的是采用avrdude。而本方案将采用更方便的Arduino对烧，即需要另一个Arduino成品烧写无bootloader的Atmega单片机CPU。这篇From Arduino to a Microcontroller on a Breadboard
图3. 无需外部晶振，用Arduino烧写bootloader(需要修改boards.txt文件)
图4. 无需外部晶振，用Arduino给CPU上传程序(需要修改boards.txt文件)
3.4、Arduino和NDS通信设计
Arduino和NDS通信通过SPI接口完成。Arduino部分对SPI编程实现非常方便，IDE内部的有库直接支持，直接使用即可。示例代码可以参考DS brut的dsbrut_arduino.txt文件。
NDS部分则相对复杂一些，需要写驱动代码。当然DS brut也已经提供了，分别为uart, spi, brut部分。也可以参考源码。NDS部分的编译好的程序需要放到Slot 2接口的烧录卡上运行，因为Slot 1已用来扩展。NDS部分的程序开发可采用DevkitPro。libnds等库也都非常实用，可以快速开发实现功能。另外，如果NDS程序涉及到FAT文件读写别忘了打DLDI补丁就行。
NDS端的驱动部分代码可以预先编译成库，并将头文件和库文件分别放到devkitARM对应的目录里，方便以后使用。
另外DS brut提供了Demo Project。这个section的详细内容需要到实现方案后再能详述。至此先这样。
四、应用
采用本方案实现NDS扩展，对于扩展出来的单片机端更新程序也方便，对于NDS端的开发和以往一样。应用实例基本上所有单片机能做的这个方案都可以实现。另外还有以下几个主要优点：
（1）NDS的主CPU为32位68MHz的ARM 9，处理能力比单片机更强，可以处理一些由单片机传回来的较为复杂的数据和运算，
（2）NDS端的程序在Slot 2，可以使用大容量的SD卡作为数据存储，
（3）NDS拥有WiFi，可以联网，有更多开发的可能性，比如远程控制，无线数据传输，
（4）NDS拥有两个LCD，可以显示很多信息，其中一个可触摸，
可以实现以下几个应用：
（1）把NDS当作电脑的游戏手柄，或电脑键盘
（2）带LCD状态显示的智能小车，可无线遥控
（3）通过NDS控制各种外设，如用触摸屏控制4*4*4,或8*8*8的LED立方显示任意图案
（4）太多了...
有空我将实现本方案，敬请期待！