Master Matrix 4x4

Master Controller Board (บอร์ดแม่) - Dual-MCU Smart Tile (ESP32 + ATtiny1604)

เอกสารนี้อธิบายรายละเอียดการออกแบบทางฮาร์ดแวร์ บล็อกการทำงาน หน้าที่ของแต่ละโมดูล และโครงสร้างทางวิศวกรรมของ Master Controller Board (ไฟล์ KiCad: Master_Matrix_4x4.kicad_sch, Master_Matrix_4x4.kicad_pcb) ภายใต้สถาปัตยกรรม Dual-MCU Smart Tile Grid

1. ภาพรวมบอร์ดแม่ (Master Board Overview)

Master Controller Board ขนาดแผ่น $192.0 \times 192.0\text{ mm}$ ($19.2 \times 19.2\text{ cm}$) แบ่งเป็น 16 ช่องตาราง ($4 \times 4$ Cells ช่องละ $48.0 \times 48.0\text{ mm}$) แต่ละช่องติดตั้งไฟ LED 4 ดวงแบบ $2 \times 2$ (รวม 64 หลอด) ทำหน้าที่เป็นทั้ง พื้นที่เล่นในตัว และ เกตเวย์เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์/Unity

สถาปัตยกรรมชิปคู่บนบอร์ดแม่ (Dual-MCU Architecture):

บอร์ดแม่รวมไมโครคอนโทรลเลอร์ 2 ตัวไว้บนแผ่นเดียว เพื่อแยกบทบาทหน้าที่อย่างชัดเจน:

1. ESP32 Gateway (U1):

   • เชื่อมต่อกับ Unity / PC ผ่านสาย USB ทางขอบด้านซ้าย (West)
   • รับข้อมูลเกม, สถานะ, ข้อมูลสี และค่าความสว่างจาก Unity
   • เก็บโครงสร้างแผนผังความสัมพันธ์ทั้งระบบ (System Topology Map)
   • คำนวณ Global Grid และแปลงพิกัดสากล
   • แยกข้อมูล Packet ตาม Tile ID
   • ตรวจสอบสถานะการทำงานของระบบ
   • ส่งทุก Packet ให้ ATtiny1604 ของบอร์ดแม่ผ่าน Internal UART
   • ESP32 ไม่ต่อเข้าหัวแม่เหล็กภายนอกโดยตรง และไม่ขับ LED โดยตรง

2. ATtiny1604 Master Tile Controller (U_ATTINY):

   • ทำหน้าที่เป็น Smart Tile ประจำบอร์ดแม่ โดยใช้ Firmware สถาปัตยกรรมเดียวกับบอร์ดลูก
   • รับ Packet ข้อมูลจาก ESP32
   • จัดการเก็บสี 16 ช่องในหน่วยความจำ (Active Buffer และ Back Buffer)
   • ขับไฟ LED 64 ดวงในบอร์ดตัวเอง (1 สี ขยายออกเป็น 4 หลอดต่อช่อง)
   • ขับสัญญาณออกสู่โครงข่ายแม่เหล็ก 3 ทิศทาง (North, East, South) ผ่านสาย LINK_TX
   • กระจายสัญญาณและส่งต่อแพ็กเก็ตไปยังบอร์ดลูก

Unity Game Engine
       │ USB DATA
       ▼
+-------------------------------------------------------------------------+
|                        Master Controller Board                          |
|                                                                         |
|                     [ J_NORTH (Female Mag-4P) ]                         |
|                     (VBUS, Link TX, Link RX, GND)                       |
|                                  ^                                      |
|                                  |                                      |
|  [ POWER INPUT ]            +----+----+                                 |
|  [ USB TO UNITY ]           | ATtiny  | <---> [ J_EAST (Female) ]       |
|         │                   |  1604   |       (VBUS, TX, RX, GND)       |
|         ▼                   | Master  |                                 |
|   +-----------+  Internal   +----+----+                                 |
|   |   ESP32   |  UART            | DIN_LOCAL (5V Logic)                 |
|   |  Gateway  | ---------->      v                                      |
|   +-----------+ (Level Shift)+---------------+                          |
|         │                    |  LED Matrix   | (MOD1 -> MOD2 -> .. MOD16|
|  (System Mgmt)               |  (64 LEDs)    | (Local Driving Only)     |
|   (West Edge)                +---------------+                          |
|                                  |                                      |
|                                  v                                      |
|                     [ J_SOUTH (Male Mag-4P) ]                           |
|                     (VBUS, Link TX, Link RX, GND)                       |
+-------------------------------------------------------------------------+

2. ขั้วต่อแม่เหล็ก 3 ทิศทาง (3-Edge Magnetic Link Bus)

บอร์ด Master ติดตั้งขั้วต่อแม่เหล็กที่ขอบบอร์ด 3 ด้านเท่านั้น ได้แก่ North, East, South (เว้นด้าน West ไว้สำหรับช่องรับไฟหลักและพอร์ต USB เชื่อมต่อคอมพิวเตอร์):

$$\text{Pin 1: [ VBUS ]} \quad \vert \quad \text{Pin 2: [ LINK_TX ]} \quad \vert \quad \text{Pin 3: [ LINK_RX ]} \quad \vert \quad \text{Pin 4: [ GND ]}$$

  Female Connector (North / East)       Male Connector (South)
      +---------------------+               +---------------------+
      | (1)  (2)  (3)  (4)  |               | (1)  (2)  (3)  (4)  |
      | VBUS LinkTX LinkRX GND|             | GND LinkTX LinkRX VBUS|
      +---------------------+               +---------------------+

การจับคู่สัญญาณเมื่อประกบกัน (Poka-Yoke 180° Inversion):

• Pin 1 (VBUS) $\longleftrightarrow$ Pin 4 (VBUS): บัสจ่ายไฟเลี้ยงหลักของโครงข่าย
• Pin 2 (LINK_TX) $\longleftrightarrow$ Pin 3 (LINK_RX): สายส่งข้อมูลชนสายรับข้อมูลของเพื่อนบ้าน
• Pin 3 (LINK_RX) $\longleftrightarrow$ Pin 2 (LINK_TX): สายรับข้อมูลชนสายส่งข้อมูลของเพื่อนบ้าน
• Pin 4 (GND) $\longleftrightarrow$ Pin 1 (GND): ระนาบกราวด์ร่วมของทั้งระบบ

3. เส้นทางข้อมูลและการกระจายสัญญาณ (Data Routing & Level Shifting)

1. เส้นทางข้อมูล:
   • Unity $\rightarrow$ ESP32 (ถอดรหัสและแยก Packet)
   • ESP32 $\rightarrow$ ATtiny Master (ผ่าน Internal UART)
   • ATtiny Master $\rightarrow$ ขับไฟ LED 64 ดวงบนบอร์ด Master
   • ATtiny Master $\rightarrow$ กระจายข้อมูลออกสู่ LINK_TX ขั้วต่อแม่เหล็ก N/E/S ไปยังบอร์ดลูก
2. การแปลงระดับแรงดัน (Level Shifting):
   • หาก ATtiny1604 ทำงานที่แรงดัน 5V เอาต์พุต GPIO ของ ATtiny จะเป็น 5V Logic อยู่แล้ว จึงขับขา DIN ของ WS2812B ได้โดยตรง
   • จุดที่ต้องแปลงระดับแรงดันคือระหว่าง ESP32 (3.3V Logic) กับ ATtiny1604 (5V Logic) บนสัญญาณ UART ภายใน เพื่อความเข้ากันได้ทางไฟฟ้าและความปลอดภัยของชิป
   • ทิศ ESP32 → ATtiny ใช้ 74AHCT1G125; ทิศ ATtiny → ESP32 ใช้ตัวแบ่งแรงดัน 10kΩ/20kΩ เพื่อจำกัดสัญญาณประมาณ 3.3V
3. Current monitor: บัส I²C ของ INA219 มี pull-up 4.7kΩ ไปยัง +3V3 แยกทั้ง SDA และ SCL

4. สถาปัตยกรรมระบบไฟ (Power Architecture)

หลักการจ่ายไฟของระบบ:

Power Input
   └──► Master Protection
          └──► VBUS ผ่านขั้วต่อแม่เหล็ก
                 └──► Local Power Converter ในแต่ละ Tile
                        └──► 5V คงที่สำหรับขับ LED และเลี้ยง ATtiny1604

[!NOTE] การกำหนดสเปกภาคจ่ายไฟ:

• บัสส่งไฟระหว่างบอร์ดใช้ชื่อกลางว่า VBUS เพื่อรองรับการทดสอบแรงดันที่เหมาะสม (เช่น 5V ตรง หรือ 9V–12V ร่วมกับ Local Step-Down Converter) เพื่อลดปัญหากระแสสูงและแรงดันตกคร่อมบนพินแม่เหล็ก
• สเปกของ Power Input, พิกัดแรงดัน VBUS, วงจรตรวจวัดกระแส, และเบอร์ไดโอด TVS จะถูกกำหนดอย่างเป็นทางการหลังทราบพิกัดกระแสจริงของหัวแม่เหล็กและกำลังวัตต์สูงสุดของ LED ทั้งระบบ (ไม่ล็อกเบอร์ SMAJ5.0A หาก VBUS ถูกปรับขึ้นสูงกว่า 5V)
• ตัวต้านทาน CC 5.1kΩ บนพอร์ต Type-C ทำหน้าที่ระบุสถานะ Sink พื้นฐาน ไม่ได้รับรองการจ่าย 5V/3A และไม่ใช่ระบบ USB-PD
• R_BUS เป็น DNP โดยปริยาย ห้ามประกอบเป็น 0Ω จนกว่าจะยืนยันว่าใช้ VBUS 5V แบบจำกัดกระแส หากต้องการขยายหลาย Tile ให้แทนตำแหน่งนี้ด้วย Local Power Converter ที่เลือกตามพิกัดจริง
• ขา VCC_(USB) ของโมดูล ESP32 ไม่ผูกเข้ากับราง +5V ภายนอก เพื่อป้องกันการป้อนไฟย้อนเข้าสาย USB Data ของคอมพิวเตอร์

5. การส่งแพ็กเก็ตและตรวจจับเพื่อนบ้าน

• การส่งข้อมูล (LINK_TX): ATtiny Master ส่งออกทาง LINK_TX ซึ่งเชื่อมขนานไปยังขั้วต่อ N, E, S สัญญาณจะออกไปยังเพื่อนบ้านทุกด้านพร้อมกัน
• การป้องกันข้อมูลวนซ้ำ (Deduplication): Packet จะระบุ Source ID, Destination ID, Sequence Number, Frame Number, TTL, และ CRC ทุกโหนดจะไม่ประมวลผล Packet เดิมซ้ำ
• การค้นหาเพื่อนบ้าน (Neighbor Discovery): ขา LINK_RX แยกตามทิศทาง (LINK_RX_N, LINK_RX_E, LINK_RX_S) เมื่อได้รับข้อความ HELLO ทางขาใด จะทำให้ ATtiny ทราบทิศทางและบอร์ดที่เชื่อมต่ออยู่ทันที และส่งรายงานกลับไปยัง ESP32