โปรเจกต์ Flight Simulator Custom Controls

FSX Autopilot Panel

เทคโนโลยี Touchscreen นั้นยอดเยี่ยมมาก ไม่มีข้อโต้แย้งในเรื่องนี้ แต่ผมมั่นใจว่าผมไม่ใช่คนเดียวที่คิดถึงความรู้สึกในการสัมผัส (tactile feedback) ของปุ่มกด และความสวยงามของหน้าจอ 7-segment หรือไฟ LED ที่กำลังกะพริบ หลังจากที่ได้เห็น Mission Control Desk ของ Jeff Highsmith ผมจึงตัดสินใจสร้าง Control Panel แบบย้อนยุค (old school) ที่ประกอบไปด้วยสวิตช์, ปุ่มกด, LED, Rotary และอะไรก็ตามที่ผมจะใส่ลงไปได้ อย่างไรก็ตาม ผมต้องการให้มันใช้งานได้จริงด้วย คล้ายๆ กับ "DIY Overhead Control Panel" แต่แตกต่างออกไป ประจวบเหมาะกับช่วงนั้นที่ผมกำลังลองเล่น Microsoft's Flight Simulator X อยู่พอดี ผมเลยปิ๊งไอเดียว่า: ทำไมไม่ทำ Autopilot Panel ล่ะ? ผมจึงเปิดโปรแกรม MS Paint และร่าง "ดีไซน์" แรกขึ้นมา:

นี่คือไอเดียคร่าวๆ ว่าผมอยากให้มันออกมาหน้าตาเป็นอย่างไร โดยที่ยังไม่ได้กังวลเรื่องข้อจำกัดใดๆ ที่อาจจะต้องเจอ มันคือสิ่งที่ผมเรียกว่า "ดีไซน์แบบไม่ยอมอ่อนข้อ" (No compromise design) จากนั้นผมได้ปรับปรุงคุณภาพของดีไซน์ด้วยโมเดล Render 3D ที่ใช้อัตราส่วนขนาดของอุปกรณ์จริง:

หากคุณสงสัยว่าผมสร้างโมเดล 3D นี้ (และโมเดล 3D อื่นๆ ในโปรเจกต์นี้) ได้อย่างไร ผมออกแบบมันบนซอฟต์แวร์สำหรับวาง Layout ของ PCB (DipTrace ซึ่งเป็นโปรแกรมที่ยอดเยี่ยมมาก) และใช้วิธีดัดแปลงเล็กน้อยโดยการสร้างอุปกรณ์แบบ Custom และแนบโมเดล 3D ที่ผมดาวน์โหลดมาจาก ที่นี่ (ขอบคุณทุกคนที่แบ่งปันดีไซน์เจ๋งๆ ไว้ที่นั่น) รวมถึงจาก DigiKey.ca (อุปกรณ์หลายตัวบน DigiKey มีไฟล์ STEP ให้ดาวน์โหลด) จากนั้นก็เข้าสู่ขั้นตอนที่น่าเบื่อในการจัดวางอุปกรณ์เหล่านั้นลงบนดีไซน์อย่างมีกลยุทธ์ แล้วตรวจสอบมุมมอง 3D ของดีไซน์ทั้งหมด ก่อนจะทำการ Render โดยใช้ 3D builder ที่ติดมากับ Windows 10 แน่นอนว่ามีวิธีที่ดีกว่านี้ แต่ความรู้ในการใช้ซอฟต์แวร์ 3D ของผมมีจำกัด และด้วยวิธีนี้ โมเดล 3D ส่วนใหญ่ที่ผมดาวน์โหลดมาจะมีขนาดตรงตามสัดส่วน 100% พร้อมการวัดค่าต่างๆ เรียบร้อยแล้ว จึงเป็นวิธีที่ดีมากในการดูว่าสิ่งต่างๆ จะประกอบเข้าด้วยกันได้อย่างไร

จนถึงจุดนี้ ผมยังไม่มีแผนการว่าจะทำให้มันเกิดขึ้นได้อย่างไร หรือจะต้องเผชิญกับความท้าทายอะไรบ้าง แต่คุณจะเห็นได้ว่ามันไม่ได้ดูเหมือน Cockpit ของเครื่องบินจริงๆ สาเหตุหลักมาจากพื้นที่บนโต๊ะที่จำเป็นต้องใช้ ความเรียบง่าย และต้นทุนในการสร้าง หลังจากพิจารณาเรื่องข้อจำกัดต่างๆ แล้ว ผมพบว่ามันง่ายกว่าที่จะหา Enclosure สำเร็จรูปมาใช้ แล้วสร้างส่วนประกอบรอบๆ มัน ผมจึงออกแบบใหม่ให้เป็นรูปทรงนี้ (ซึ่งเป็นรูปทรงจริงที่โปรเจกต์นี้จบลง):

เมื่อได้รูปทรงทั่วไปแล้ว ก็ถึงเวลาเริ่มทำ Schematic แต่ก่อนหน้านั้น สิ่งหนึ่งที่ผมเคย (และยังคง) มีปัญหาคือ ความสูงของอุปกรณ์ เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างติดตั้งได้อย่างสวยงามและเรียบไปกับ (หรืออยู่ในระยะที่พอดีจาก) พื้นผิวของ Front Panel ผมจึงต้องแยกดีไซน์ออกเป็น Board สองแผ่นที่แตกต่างกันด้วยวิธีเชิงกลยุทธ์ เพื่อให้สามารถติดตั้ง PCB ในระยะห่างที่ต่างกันจาก Front Panel ได้ และนี่คือวิธีที่ผมแยกดีไซน์ออกเป็นสอง Board:

ส่วนสีแดง (ซึ่งผมเรียกว่า Control Board) ประกอบไปด้วยพอร์ต USB, ชิป UART, ATmega328P (ที่มี Arduino boot-loader), Shift Registers สองสามตัว, ชิป I/O, สวิตช์, LED และ Rotary Encoders 2 ตัว ส่วนด้านสีน้ำเงินเรียกว่า (แบบสร้างสรรค์ว่า) Display Board ซึ่งประกอบไปด้วยหน้าจอ 7-segment ทั้งหมด (ควบคุมโดยชิป I/O) รวมถึง Encoders ที่เหลือ โดย Board ทั้งสองแผ่นเชื่อมต่อกันด้วย Connector ขนาด 10 ขา

ตอนนี้ผมรู้แล้วว่า Board จะถูกแยกอย่างไร ผมจึงทำ Schematic จนเสร็จ ออกแบบ PCB และสั่งผลิตจาก seeedstudio นี่คือโมเดล 3D ของดีไซน์นี้:

และในที่สุด Board จริงก็มาถึง:

อาจจะไม่สมบูรณ์แบบ แต่มันสวยมาก! ถึงเวลาประกอบแล้ว:

อาจจะไม่ใช่งานบัดกรีด้วยมือที่ดีที่สุดของผม แต่มันก็ใช้งานได้ สังเกตว่า Board ทั้งสองแผ่นถูกติดตั้งที่ระดับความสูงที่แตกต่างกัน (ภาพนี้ถ่ายหลังจากที่ผมตัด Front Panel แล้ว ตามที่ระบุไว้ในย่อหน้าด้านล่าง)

สำหรับ Front Panel แม้ว่าโมเดล 3D (และภาพในหัว) ของผมจะเป็นแผงสีดำ แต่ผมกลับเลือกใช้ไม้อัด (หรือแผ่นไม้อะไรสักอย่าง ผมไม่มีความรู้เรื่องไม้และประเภทของมันเลย) ที่ซื้อมาจากร้านอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ ผมเตรียมดีไซน์สำหรับเครื่อง Laser cutter:

หลังจากการใช้ Laser cutter หนึ่งครั้งและการประกอบบางส่วน นี่คือผลลัพธ์ที่ได้:

มันดูดีนะ แต่ผมยังคงต้องการแผงสีดำอยู่ ดังนั้นผมจึงไปซื้อแผ่น อะคริลิกสีดำบนพื้นขาวที่ใช้กับ Laser ได้ จาก inventables หลังจากผ่าน Laser cutter อีกครั้ง และนี่คือสิ่งที่ได้:

หลังจากนั้นคือการเขียน Firmware สำหรับ Microcontroller เพื่อสกัดและส่งข้อมูลรวมถึงคำสั่งจากและไปยัง Flight Simulator ซึ่ง Microsoft ทำหน้าที่ได้ดีมากด้วย SimConnect SDK และมีเอกสารประกอบการใช้งานที่ละเอียดมาก อย่างไรก็ตาม Link2FS ช่วยขจัดความยุ่งยากทั้งหมดออกไป มันเป็นโปรแกรมที่สร้างขึ้นอย่างสวยงามซึ่งช่วยให้คุณเลือกข้อมูลที่ต้องการสกัด เลือกคำสั่งที่ต้องการส่งไปยัง FSX และทั้งหมดนั้นทำผ่าน Serial COM... ช่างยอดเยี่ยมจริงๆ (Jim จากนิวซีแลนด์ คุณคือตำนาน) อย่างไรก็ตาม นี่คือ Block Diagram เพราะทุกคนต้องการ Block Diagram:

โดยพื้นฐานแล้วโปรเจกต์นี้เป็นเพียงสวิตช์, LED และ Rotary Encoders แบบง่ายๆ ความท้าทายคือจำนวนขา I/O ที่จำกัดบน ATmega328 รวมถึงความเร็วและหน่วยความจำ ผมอาจจะเลือกใช้ Microcontroller ที่ใหญ่กว่านี้ได้ แต่ผมเลือกที่จะใช้ Shift Registers และชิป I/O driver แทน (แม้ว่าการใช้ Microcontroller ตัวใหญ่กว่าอาจจะถูกกว่าก็ตาม)

และนี่คือทั้งหมด มันคือหนึ่งในสี่ของแผงควบคุมทั้งหมด!

FSX Radio Stack Panel

หลังจากความสำเร็จของแผงแรก ผมตัดสินใจทำเพิ่มอีกแผง คราวนี้เพื่อจัดการเรื่องการสื่อสารทางวิทยุ, ไฟ, ATC และด้านอื่นๆ ของเครื่องบิน ผมตัดสินใจใช้รูปทรงเดียวกับ Autopilot และเริ่มจากตรงนั้น นี่คือดีไซน์ 3D ที่ผมคิดขึ้นมา:

ผมเจอปัญหาเรื่องความสูงของอุปกรณ์และลักษณะการติดตั้งบน Front Panel เหมือนเดิม ดังนั้นจึงต้องมีการแยก Board มากขึ้น แต่คราวนี้ผมตั้งชื่อ Board ได้อย่างอิสระมากขึ้น และนี่คือสิ่งที่ผมคิดขึ้นมา:

• สีน้ำเงิน = Display Board

• สีม่วง = Control Board

• สีแดง = Switch Board

โปรดทราบว่าผมทำแบบนี้ในโปรแกรม Paint โดยใช้ Screenshot ของโมเดล 3D ที่ผมออกแบบไว้ เส้นสีเหลืองระหว่างส่วนต่างๆ คือจำนวนการเชื่อมต่อที่จำเป็นในการต่อ Board เข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยในการออกแบบได้มาก ทำให้รู้ขนาดของ Connector และตำแหน่งของมัน

หลังจากทำ Schematic และ PCB layout ไป 3 ชุด:

ผมส่งไฟล์ Gerbers ไปที่ Seeed studio และได้รับ Board ในอีกไม่กี่สัปดาห์ต่อมา นี่คือผลงาน:

และอีกครั้ง ผมได้ออกแบบ Front Panel และตัดด้วย Laser:

จากนั้นถึงเวลาบัดกรีชิ้นส่วนด้วยมืออีกครั้ง:

หลังจากประกอบเสร็จและเขียน Firmware มันก็ใช้งานได้!!!-แบบเกือบจะสมบูรณ์:

แผงนี้มีปัญหาการออกแบบเล็กน้อยและต้องมีการต่อสายข้าม (bodge wires) นอกจากนี้ สิ่งหนึ่งที่ผมเสียใจคือการใช้ Rotary Encoder เพียงตัวเดียวพร้อมปุ่มกดเพื่อควบคุมทั้งการปรับความถี่สูงและต่ำ (โดยการกดปุ่มเพื่อเปลี่ยนช่วง) แทนที่จะใช้ Dual Rotary Encoder ที่เหมาะสม (แต่ราคาสูง) ซึ่งสุดท้ายผมก็ซื้อมา 5 ตัวในภายหลังอยู่ดี แต่มันก็สายเกินไปที่จะใช้กับโปรเจกต์นี้ *เอามือกุมขมับ* บางทีอาจจะต้องมี Rev2

และตอนนี้ในที่สุดผมก็มีสองแผงควบคุมที่ใช้งานได้:

Electrical and GPS Panels

คราวนี้ผมเริ่มโลภ อยากได้แผงควบคุมเพิ่ม! หลังจากผลัดวันประกันพรุ่งไป 7 เดือน ผมก็เริ่มทำอีกแผงหนึ่ง คราวนี้เพื่อจัดการเรื่องระบบไฟฟ้า (Electrical), Flaps, Gears, Auto-brakes และอื่นๆ อีกเล็กน้อย ดังนั้นจึงกลับไปที่การทำ "โมเดล 3D" แผงใหม่:

ครั้งนี้ผมตัดสินใจใช้หน้าจอ OLED สองสามตัว, LED bar-graph และสิ่งใหม่ๆ อีกสองสามอย่างเพื่อให้มันใช้งานได้ดีขึ้นและแน่นอนว่าสวยขึ้นด้วย ซึ่งนั่นหมายความว่าต้องกลับไปใช้ Breadboard เพื่อให้แน่ใจว่าผมสามารถใช้งานมันได้ตามต้องการ และปรากฏว่ามันใช้งานได้ (ยกเว้นเรื่อง Input อย่างปุ่มกดและ Rotary ที่ผมข้ามไป เพราะคิดว่าเคยทำให้มันทำงานได้แล้ว ไม่จำเป็นต้องทดสอบอีก):

หน้าจอ OLED เหล่านั้นควรจะมี Footprint สำหรับ Resistor ที่ด้านหลังเพื่อเปลี่ยนที่อยู่ I2C bus แต่ด้วยเหตุผลบางอย่าง ตัวที่ผมได้มากลับไม่มี ผมแก้ปัญหานี้โดยใช้ สิ่งนี้ ผมจบลงด้วยการใช้มันกับอุปกรณ์ I2C ทั้งหมด ไม่ใช่แค่หน้าจอ OLED ผมคิดว่า ในเมื่อผมมี 8 Channel อยู่แล้ว และใช้อยู่แค่ 2 ก็ควรจะใส่อุปกรณ์ I2C ทั้งหมดลงไปแยกกันคนละ Channel เลย ผมคิดว่าสิ่งนี้อาจจะช่วยเรื่อง Capacitance บนสายสัญญาณ ซึ่งเป็นปัญหาที่ผมเจอใน 2 แผงก่อนหน้านี้ การคำนวณ Capacitance ของสาย I2C นั้นยุ่งยากมาก (เพื่อหาช่วงค่า Pull up resistor ที่ต้องการ) ผมต้องลองผิดลองถูกอยู่พักหนึ่งเพื่อให้มันถูกต้อง แต่ด้วย Multiplexer นี้ ดูเหมือนว่ามันจะไม่ใช่ปัญหาใหญ่ ค่า Pull up resistor มาตรฐานทั่วไปก็ใช้งานได้แล้ว...

อย่างไรก็ตาม การใช้ Multiplexer นี้ทำให้เกิดปัญหาบางอย่างกับ Interrupt เช่น ในช่วงเวลาหนึ่งของโปรแกรม Multiplexer เลือกหน้าจอบน Channel 1 และเริ่มสื่อสารกับมัน แต่ในระหว่างการสื่อสารนั้น มี Interrupt เข้ามาจากชิป I/O ที่เชื่อมต่อบน Channel 3 ซึ่งหมายความว่าตอนนี้ Interrupt routine จะเลือก Channel 3 และทำหน้าที่ของมันกับชิป I/O เมื่อเสร็จแล้ว มันต้องจำให้ได้ว่าต้องกลับมาเลือก Channel 1 อีกครั้ง เพื่อให้โปรแกรมสามารถดำเนินขั้นตอนการสื่อสารเดิมต่อได้ การเขียน Code เพื่อทำสิ่งนี้ไม่ใช่เรื่องยาก แต่มันทำให้ผมต้องใช้เวลาคิดอยู่นานในขณะที่เจอกับพฤติกรรมแปลกๆ ที่ต้องใช้เวลามากในการ Trouble shoot

แต่ผมเริ่มพูดล่วงหน้าไปไกลแล้ว ตอนนี้เรายังอยู่ในขั้นตอนการออกแบบ และแน่นอนว่าการแยก Board ยังคงเป็นปัญหา นี่คือแผนผังสำหรับแผงนี้:

• สีแดง = Display Board

• สีเขียว = Control Board

• สีน้ำเงิน = APU Board

ถึงเวลาทำ Schematic และ PCB layout สำหรับ Board เหล่านี้แล้วใช่ไหม? ไม่ใช่!

ระหว่างที่ออกแบบ Front panel อยู่นั้น ผมก็คิดขึ้นมาได้ว่า... ทำเป็นแผงควบคุมขนาดใหญ่ (BIG panel) ที่ประกอบด้วยแผงเล็กๆ 3 แผงนี้ดีกว่า ปัญหาก็คือ เลข 3 มันดูไม่ลงตัว ผมจะทำแผงใหญ่ที่ดูสวยงามด้วยจำนวน Module ที่เป็นเลขคี่ได้อย่างไร นั่นเป็นตอนที่ผมตัดสินใจว่า: จำเป็นต้องมีแผงที่ 4 แต่ควรจะเป็นอะไรดี?... ผมเริ่มหมดมุกแล้ว... อ่า!! แผง GPS ไง ถึงแม้เครื่องบินพาณิชย์จริงๆ จะไม่มี GPS แบบนี้ แต่มันก็เป็นการเพิ่มเติมที่ยอดเยี่ยม และในฐานะ "นักบิน" มือใหม่ ผมใช้งานมันบ่อยมาก... กลับไปออกแบบ 3D กันต่อ:

แผงนี้มี Layout ที่คล้ายกับ GPS ในตัวของ FSX จริงๆ:

สำหรับ Rotary Encoder ไม่มีทางเลือกอื่น ผมจำเป็นต้องใช้ Dual Rotary Encoder ดังนั้นผมจึงยอมจำนนและซื้อมาเป็นฝูงตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้

ณ จุดนี้ ผมมีดีไซน์ 3D สำหรับแผงควบคุม 4 แบบที่แตกต่างกัน แน่นอนว่าผมรวมพวกมันเข้าเป็นโมเดล 3D เดียวเพื่อดูว่ามันจะเป็นอย่างไร ผมไม่รู้ว่าคุณคิดอย่างไร แต่สำหรับผม มันกระตุ้นต่อมเนิร์ดของผมอย่างแน่นอน:

เมื่อได้ดีไซน์ GPS แล้ว ผมก็สร้าง Schematic และ PCB (ไม่มีความจำเป็นต้องแยกส่วนใดๆ บน GPS) นำมารวมกับ PCB สำหรับแผงควบคุมไฟฟ้า และนี่คือผลลัพธ์:

และนี่คือ Board จริงที่เพิ่งส่งมาจาก Seeed Studio:

ถึงเวลาประกอบแผงควบคุมไฟฟ้า:

Testing All the Panels

ตอนนี้แผงควบคุมทั้งหมดได้รับการประกอบเรียบร้อยแล้ว แน่นอนว่า 2 แผงแรกได้ผ่านการทดสอบมาสักพักแล้ว แต่ 2 แผงใหม่ยังไม่เคย และมันคงจะดีถ้าได้เห็นว่าพวกมันทำงานร่วมกันทั้งหมดได้อย่างไร:

Full (Combined) Panel

กล่องที่จะบรรจุแผงควบคุมทั้ง 4 แผงจะทำจากไม้ และอย่างที่ผมบอกไปก่อนหน้านี้ ผมไม่มีความรู้เรื่องงานไม้เลย โชคดีที่เพื่อนของผม Cameron เก่งเรื่องนี้มาก เขามีเครื่องมือครบครันและมีแนวคิดที่เหมาะสม เราลองร่างดีไซน์สองสามแบบบนไวท์บอร์ด และหนึ่งสัปดาห์ต่อมาเราก็เริ่มลงมือทำ ผมช่วยด้วยการยืนเกะกะเขาเป็นส่วนใหญ่ หลังจากนั้นไม่กี่ชั่วโมง:

นี่ยังไม่ใช่เวอร์ชันสุดท้าย แต่มันเป็นการเริ่มต้นที่ดีในการวัดดูว่าทุกอย่างจะประกอบเข้ากันได้อย่างไร:

มีปัญหาเล็กน้อยในการจัดวางจุดเชื่อมต่อทั้งหมด เนื่องจากเดิมทีไม่ได้ออกแบบมาให้รวมอยู่ในกล่องเดียวกัน การเชื่อมต่อ USB B ที่เทอะทะทำให้มันกลายเป็นความท้าทาย สิ่งนี้บังคับให้ผมต้องจัดเรียงแผงควบคุมใหม่เพื่อให้เข้ากับจุดเชื่อมต่อได้ดีขึ้น:

ขั้นตอนต่อไปคือการตัดชิ้นส่วนเล็กๆ เพื่อปิดขอบ, ทากาว, ขัด, ทาสี และนี่คือผลลัพธ์สุดท้าย แผงควบคุมที่ใช้งานได้เต็มรูปแบบซึ่งเพียงพอสำหรับการบินตั้งแต่ Take off, Cruise ไปจนถึงการลงจอดเครื่องบินแบบ Stock บน FSX (ผมใช้คำว่า Stock เพราะมันเรียบง่ายกว่าพวก Add-on ที่จำลองมาจากเครื่องบินจริง)

นี่คือวิดีโอตอนที่ผมใช้มันบินจาก JFK ไปยัง YYZ (ขออภัยสำหรับการตัดต่อวิดีโอที่ไม่ค่อยดีนัก เพราะนี่เป็นครั้งแรกของผม)

ใครก็ตามที่เคยลองเล่น FSX จะรู้ดีว่าเครื่องบิน Stock ที่ติดมากับเกมนั้นยังขาดอะไรไปหลายอย่างและเรียบง่ายเกินไป แต่ในความคิดของผม แผงควบคุมนี้ทำให้การบินน่าสนใจยิ่งขึ้น แผงควบคุมนี้ไม่ได้เลียนแบบ Cockpit ของจริงตามที่ผมบอกไปก่อนหน้านี้ แต่มันเป็นการเริ่มต้นที่ดี เป็นการเบิกทางก็ว่าได้ ผมได้เรียนรู้อะไรมากมายจากงานสร้างนี้ และบางทีสักวันหนึ่งผมอาจจะสามารถสร้างอะไรแบบนี้ได้ เช่นผลงานของ Karl Clarke จาก 737diysim.com, บล็อกและ ช่อง YouTube ของเขามีข้อมูลที่เป็นประโยชน์มาก เขาแบ่งปันดีไซน์และเทคนิคทั้งหมดของเขา สิ่งที่เขาทำนั้นน่าทึ่งมาก ผมแนะนำให้คุณลองไปดู

ผมจะไม่เปิดเผย Schematic เพราะมันยังมีจุดบกพร่องอยู่ และต้องใช้ความพยายามและการปรับแต่งบน Board อย่างมากเพื่อให้ทุกอย่างทำงานได้ แต่ผมเริ่มคิดถึง Rev B เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านั้นและปรับปรุงสิ่งต่างๆ ให้ดีขึ้น ผมจะแชร์ Schematic ใหม่สำหรับ RevB เมื่อมันเสร็จสมบูรณ์