Miten flipperi toimii?

Liekö montaa asiaa maan päällä, joka on ihmisiä jaksanut hämmästyttää pidempään. Miten ihmeessä flipperi toimii? Avattu flipperi vetää korjaajaparan ympärille välittömästi sankan yleisön seuraamaan korjaustoimitusta. Minulta on kysytty emailitse kymmeniä, ellei satoja kysymyksiä siitä, miten flipperi joko kokonaisuutena toimii, tai miten jokin tietty osa on toteutettu. Toivon, että tämä teksti on tarpeeksi tyhjentävä vastaus niihin kaikkiin kysymyksiin.

Tämä teksti on rajusti yksinkertaistettu versio, jossa ei ole flipperin varsinaiseen korjaamiseen tarkoitettuja yksityiskohtia, vaan keskityn vastaamaan teoriatasolla näihin kysymyksiin.

Ohjauselektroniikka

Käytännössä lähes kaikki pelin 'äly' sijaitsee takataulun uumenissa. Se mikä pelaajalle näyttää vain hyvältä paikalta ripustaa pelin useimmiten ehkä puoleensavetävin osa taidetta, on myös sijoituspaikka varsinaiselle tietokoneosalle. Ja se näyttää tältä ilman takalasia:

Monelle lienee yllätys, että nämä samat kortit löytyvät jokaikisestä saman valmistajan tietyn aikakauden koneesta. Kun uusi peli rakennettiin, tarvittiin vain koodata pelin ohjelma uusiksi, varsinainen korttiosa pysyi suunnilleen samanlaisena. Ajan kuluessa sitä tietysti paranneltiin, mutta useimpien koneiden kortteja voi vaihdella keskenään. Tietysti ääni- ja prosessorikortista täytyi itse peli-ROM vaihtaa myös, ellei halunnut varsin mielenkiintoisia reaktioita virtojen kytkemisen kohdalla.

Kun katsomme yllä olevaa kuvaa, kiinnittäkäämme ensin huomio prosessorikortille (CPU). Tällä kortilla on varsinainen peliohjelma omalla ROM-piirillään, koneen prosessori (joka melko yleisesti näyttää 90-luvulla olleen 6809:n erilaiset variaatiot), koneen työmuisti (RAM) sekä säilyvä muisti (CMOS) jota koneen 3 patteria pitävät elossa virtojen ollessa sammutettuna. Pysyvässä muistissa on muun muassa koneen hinnoittelu, asetukset (kuten pallojen määrä, vaikeustasot ym) sekä tietysti pelaajan kannalta se oleellisin: tulokset! Prosessorikortille tulee myös suoraan signaalit pelikentän kytkimistä.

Koneessa on oma moniajava käyttöjärjestelmänsä, joka perustoimintojen lisäksi sisältää tulkin scriptikielelle, jolla varsinainen peliohjelma on toteutettu. Pelin lisäksi käyttöjärjestelmässä on tuki diagnostiikkatilalle, jolla operaattori voi kokeilla pelin osien toimintaa sekä asetusmenu, josta asetuksia voi säätää mieleisekseen. Järjestelmä pitää myös kirjaa pelin vioista, jolloin operaattorin on helpompi selvittää pelipaikalla käydessään koneen kunto.

Äänikorttien tyyppi vaihtelee hieman valmistajan mukaan, mutta kaikissa on suunnilleen sama toimintaperiaate. 90-luvun alkuun asti taustamusiikista huolehti FM-synteesi (monet muistavat saman tekniikan esimerkiksi Adlib- ja Sound Blater-kortista!) ja puheet olivat samplattuja ja kompressoitu CVSD-tekniikalla, joka toi oman kohinaisen tunnelmansa ääniin. Noin 1994 tienoilla äänikortteihin alettiin soveltaa tehokkaampaa prosessoria, jolloin FM-synteesi tippui pois, ja taustamusiikit hoidettiin kokonaan samplattuina.

Flippereiden näytöt vaihtelivat ajan kuluessa; aikaisimmissa malleissa tulos näytettiin mekaanisilla pyörivillä kiekoilla, myöhemmin taas käytössä oli numeerisia plasma-näyttöjä. Pelien sääntöjen edistyessä ilmestyivät myös kirjaimia näyttävät näytöt ja lopulta yksinkertaista grafiikkaa näyttävät pistematriisinäytöt.

Valmistajien välillä oli toki erilaisia ratkaisuita, esimerkiksi Williams/Bally-koneissa näytön sisältöä hoiti itse koneen pääprosessori, kun taas Data East/Sega/Stern-koneissa näytönohjain on autonominen osa ja saa pääprosessorilta vain tiedon mitä animaatiota ajaa, paljon pisteitä näytetään ym. Näytönohjauksessa oli Segalla suurimmissa näytöissä 68000-prosessori, joka muistetaan myös Atarista ja Amigasta!

Entä itse näyttö sitten? Numeerisissa, alphanumeerisissa sekä pistematriisinäytöissä oli käytännössä 2000-luvun ensimmäisen vuosikymmenen loppuun asti sama kaasupurkausteknologia käytössä. Näytössä on metalliliuskojen matriisi, joka on kaasulla täytetyn lasiosan sisällä. Kun matriisiin johdetaan sähköä sopivista kohdista, saadaan yksi pikseli (tai alphanumeerisen elemetin osa) hehkumaan oranssina kaasun reagoidessa sähköön.

LED-teknologian kehittyessä tuo jäi kuitenkin vanhaksi ja uusissa peleissä on LEDeillä toteutettuja pistematriisinäyttöjä. Vanhoihin koneisiin saa myös aivan alkuperäisiltä näytöiltä näyttäviä LEDinäyttöjä hajonneiden tilalle. LED-teknologia teki myös näytöistä huomattavasti pitkäikäisempia - kaasupurkausnäytöllä kun oli yleensä noin 10 vuoden elinikä. Tiensä päässä olevan näytön tunnistaa hyvin siitä, ettei se jaksa enää sytyttää keskellä olevia pikseleitä yhtä kirkkaasti, kuin reunoilla olevia.

Suurin (ja useimmiten kolvailtava) osa konetta on käytännössä prosessorin ja pelikentän fyysisten osien vuorovaikutusta hoiteleva driver board. Tämä kortti on kokoelma transistoreja, joilla pelikentän valoja sekä keloja ohjataan. Kun kentältä menee jotain oikosulkuun, tämä kortti on se joka savuaa!

Pelikentän tekniikkaa: kytkimet

Yksi flipperin oleellisimpia kentän osasia ovat kytkimet, joita ilman pelikokemus jäisi pisteytyksen ja pelitilojen kannalta arvailujen varaan. Mutta kytkimiinpä sisältyy paljon muutakin, kuin ne muutamat satunnaiset kentän päällä näkyvät mikrokytkimet!

Koneen näkökulmasta kytkimet muodostavat matriisin. Prosessorikortilla on 8 varsinaista sisääntuloa kytkimille sekä 8 ulostuloa kytkinten jännitteelle. Kytkimet ovat järjestetty riveihin niin, että kun virta yhteen riviin kytketään, on 8 pelikentän kytkimistä aktiivisia. Jos tuona hetkenä joku kytkimistä on pohjassa, tulee prosessorikortin sisääntulosta virtaa. Varsinainen kytkin päätellään siitä, mihin riviin virta annettiin sillä hetkellä ja mistä sisääntulosta signaali saatiin takaisin. Katsotaanpa käytännön esimerkillä:

Kuvassa punaiset pallot ovat siis kytkimiä, jotka on järjestettu 8 kappaleen riveihin ja rivejä taas on 8 kappaletta, joten koneessa on yhteensä 64 kytkintä. Prosessorikortti antaa virtaa ulosottoihin (kuvassa vaakarivit) yhteen kerrallaan. Kone käy läpi tämän sarjan niin nopeasti, ettei yleensä pelaajan silmääkin nopeammin liikuva pallo jää menemättä ohi. Nyt jos katsotaan oikealla puolella olevaa tilannetta, niin kone toteaa, että sisääntulossa 6 on elämää. Samaan aikaan kone tietää antavansa virtaa ulostulo 5:een, joten kyseessä täytyy olla kytkin, joka kuvassa on merkitty matriisiin vihreällä.

Jokainen kytkin on varustettu diodilla, joka estää virran kulkemisen väärään suuntaan. Mikään ei ikävä kyllä ole ikuista, eivät edes nämä diodit, joten kun yksi diodeista poksahtaa, alkaa koneessa näkyä ns. haamukytkimiä, jolloin kone saattaa esimerkiksi tehdä slam tiltin ramppilyönnistä!

Miten pallo sitten havaitaan kentällä? Ensimmäisenä ja yleisinpänä tulee tietenkin aivan tavallinen mikrokytkin, jonka perään pistetty lanka painaa kytkimen pohjaan pallon kulkiessa osuessa siihen. Erityisesti 90-luvulla alkoivat optiset kytkimet yleistyä rajusti. Tällaisessä toteutuksessa kentällä on joko infrapuna-LED tai joillain valmistajilla aivan tavallista valoa hohtava ultrakirkas punainen LED. Toisella puolella on fototransistori, johon LEDin valo osuu ja pallon kulkiessa ohi säde katkeaa. Kolmantena vaihtoehtona on yksinkertainen metallinpaljastin, joka voidaan pistää kentän alle esimerkiksi aivan keskelle kenttää niin, ettei pallon kulkua ole tolpat häiritsemässä.

Pelikentän tekniikkaa: valaistus

Lähes valmistajasta riippumatta on pelin valaistuspuoli jaettu kolmeen osaan yleisvalaistuksen, featurevalaistuksen ja flasherien välillä. Yleisvalaistus on se osa valoja, joiden tehtävä on mahdollistaa pelaaminen pimeissä tai hämärissä olosuhteissa. Nämä yleensä valkoista valoa tarjoavat lamput ovat pelikentän yläpuolella samassa tasossa kuin pallokin. Niitä sammutetaan harvoin ja useimmiten niiden ohjaus onkin pääasiassa päällä/pois-mallinen.

Featurevalaistuksen idea taas on kertoa pelaajalle muun muassa minne tähdätä, mitä moodeja on mahdollisesti käynnissä tai vaikkapa paljon bonusta on sille pallolle kertynyt. Featurevalaistus on yleensä kentän alapuolla ja näkyy pelaajalle pelikenttään upotettujen muovilinssien, inserttien läpi. Tämä osa valaistusta toimii matriisissa, hyvin samantyyppisesti kuin kytkinmatriisikin, mutta sisääntulevan virran tarkkailun sijaan kone kytkee toiseen päähän maan, jos kyseisen lampun kuuluu palaa sillä hetkellä.

Flasherien tehtävä on pääasiassa toimia erilaisten efektien tukena. Flasherit ovat yleensä 12 voltin lamppuja, joita ajetaan ylijännitteellä. Välähdykset tapahtuvat kuitenkin niin nopeasti, ettei lamppu ehdi palaa ja useat flasherit saattavatkin kestää pidempään kuin koneen muu valaistus. Upeiden valoefektien lisäksi flashereilla on toinen tehtävä, nimittäin kertoa pelaajalle mistä suunnasta pallo on tulossa, mikäli se kulkee näkymättömissä.

Pelikentän tekniikkaa: solenoidit

Itseasiassa kaikki mikä pallon liikkumisesta on vastuussa, perustuu sähkömagnetismiin.

Kelat saavat jännitteensä driver boardilta ja vastoin useimpien odotuksia, ovat jatkuvasti jännitteellisiä. Kun kelaa käytetään, kytkee driver board prosessorikortin ohjastamana kyseiselle kelalle maan, jolloin varsinainen liike tapahtuu. Kelan sisällä liikkuu metallinen sylinteri (plungeri), joka taas on päästään kytketty siihen pelikentän osaan, jonka olisi tarkoitus liikkua. Virran syöttämisen jälkeen kelasta tulee vahva sähkömagneetti, joka vetäisee plungeria puoleensa. Virran katkettua yleensä kelan yhteydessä oleva jousi palauttaa plungerin alkuasentoon.

Kentän aktiiviset osat ovat kytkinmatriisin ja solenoidien yhteistyötä; kun pallo osuu tiettyyn kytkimeen, antaa prosessorikortti käskyn kytkeä maan tietylle kelalle. Operaattorin harmiksi voi myös joskus käydä niin, että driver boardilla kyseistä kelaa ajava transistori menee oikosulkuun ja kelaan jää pysyvästi virrat päälle. Tästä on lopputuloksena kelan ylikuumeneminen, joka johtaa muoviosan sulamiseen ja käämin palamiseen.

Pelikentän tekniikkaa: mailat

Niin, tämä lienee se sähköfortunan oleellisin muutos, josta myös suomenkielinen nimi johtaa juurensa - pelaajan ohjaamat mailat. Useimmat korttijärjestelmät osaavat vakiona ohjata neljää mailaa, joskin virittelemällä niitä on saatu enemmänkin.

1. Plungeri
2. Palautusjousi
3. Kela
4. Stopperi
5. Kondensaattori
6. End-of-stroke -kytkin (EOS)

Mailat liikkuvat samalla toimintaperiaatteella kuin muutkin solenoidit, paitsi niissä on merkittävästi tehokkaammat kelat, joissa on kaksi erillistä käämiä. Koska kela on tehokas, se kuumenee nopeasti ja näin ollen jos asialle ei tehtäisi mitään, voisi pelaaja polttaa kelan helposti vain pitämällä nappia pohjassa. Ongelman ratkaisu oli tehdä samaan pakettiin kaksi erillistä käämiä; toinen voimakkaaseen lyöntiin ja toinen mailan ylhäällä pitämiseksi lyönnin jälkeen. Itse kelan toteutus on samanlainen valmistajien kesken, mutta mekanismi jolla tuota lyönti- ja pitokelaa vaihdetaan eroaa merkittävästi.

Alunperin kun flippereitä ei vielä ohjattu tietokoneosalla, oli toteutus hyvin yksinkertainen: kun pelaaja painoi nappia, kelan kummatkin osat saivat virtaa, mutta kun maila pääsi ääriasentoonsa, osui sen vipuvarsi kytkimeen joka katkaisi kelan lyöntiosasta virran. Kytkin nimettiin End-of-stroke -kytkimeksi (EOS). Tässä järjestelmässä oli pääasiassa ongelmana se, että jos tuo kytkin ei jostain syystä auennut, kela paloi autuaasti korpuksi.

Ratkaisuna ongelmaan kehitettiin tietokoneohjattu versio, jossa tietokoneosa katkaisi kelasta virran. Se miten tämä katkaisuhetki päätettiin, vaihteli valmistajien välillä. Williams/Bally piti EOS-kytkimen, mutta sen läpi ei enää kulkenut kelan korkea jännite, vaan tavallisten kytkinten tavoin 12 volttia ja kytkimen sulkeutuessa kone tiesi milloin lopettaa lyöntivirta. Tämän lisäksi kone katkaisi virran lyöntiosaan jos kytkin ei lyönnin alettua sulkeutunut tiettyyn aikaan mennessä, estäen näin kelan palamisen. Data East taas toteutti järjestelmän alunperin pelkällä aikaviiveellä.

Kabinetti

Itse kabinetissakin on jonkun matkaa pelille oleellisia osia. Ensimmäinen niistä lienee tämä:

Tässä on se pirulainen, jonka takia menetät bonukset jos tönit konetta. Heiluri roikkuu vapaasti kabinetin kyljessä ja jos konetta höystetään liikaa, osuu se ympärillä olevaan kehään, jolloin kytkin sulkeutuu. Tiltin herkkyyttä säädetään liikuttamalla painoa ylös tai alas.

Siinä missä ehkä kevyt höystäminen kuuluu flipperiin, koneen pahoinpitely ei kuulu. Tämän vuoksi koneessa on myös toinen tärinää tunnistava mekanismi, jonka tarkoituksena on havaita terävät iskut. Vasemmalla kuvassa on kolikkuluukussa oleva kytkin, joka tunnistaa mikäli pelaaja antaa kolikkoluukulle polvesta. Pohjassa oleva taas tunnistaa, jos automaattia nostetaan ja sen jälkeen tiputetaan.

On yllättävän yleinen harhaluulo, että flipperien napit olisivat jotenkin mekaanisesti yhteydessä mailoihin. Itseasiassa mitään suoraan yhteyttä ei ole, napit painavat joko mikro-, lehti- tai optokytkintä, jotka taas ohjaavat mailojen kelojen virransyöttöä.

Yllä olevassa kuvassa Williams-tyyppinen optokytkin, jossa nappi painaa metallilevyä, joka taas siirtää esteen pois optokytkimen LEDin ja fototransistorin väliltä.

Kabinetin pohjalta löytyy myös koneen muuntaja, joka on hyvin raskasta tekoa ja tuo huomattavan lisän koneen painoon. Joissain tapauksissa koneella on myös suojaerotusmuuntaja.

Ja tämä lienee se suurimman ihmetelyn aihe; mikä ihme siellä koneessa poksahtaa kun vapaapeli tulee? Kyseessä on knockeri-kela, joka napsauttaa muovipäisen plungerin vasten takataulun kattoa (tai vaihtoehtoisesti kabinetin kylkeen).

Okei, MIKSI se sitten kopsahtaa? Knockeri juontaa juurensa ajalle, jolloin flippereiden äänitehosteet saatiin aikaan kelojen kilkuttamilla kellopeleillä. Flipperin kehittyessä äänet siirtyivät lopulta äänikorttien tuottamiseen, mutta yksi ääni jäi: se kova kopsahdus jonka vapaapeli saa aikaan.

Uusimmissa koneissa tosin tuokin tulee äänikortista tehosteena.

↵ Takaisin pelaajalle-osioon