DIY一個標準的樹莓派擴展板(HAT) | 樹莓派實驗室

Arduino的擴展板被稱為Shield，而樹莓派的擴展板則稱作HAT（Hardware Attached on Top），意為附加在樹莓派頂上的硬體板卡。下面兔子就帶著大家從零開始設計一塊開源的樹莓派擴展板，暫名為Raspberry Pi ICA HAT。
所有設計資料均已開源，可以在懶兔子的GitHub上獲取：
http://github.com/nightseas/pi_mods

Raspberry Pi ICA HAT
1.需求分析
兔子設計HAT的初衷是為樹莓派提供基本的顯示和用戶輸入功能，並引出UART、I2C、SPI等硬體介面，方便連接其他模塊，同時也能夠做為用戶學習樹莓派硬體編程的入門板（Starter Board）。ICA HAT的配置如下：
1.用戶按鍵x5，可以作為上下左右和「確定」按鍵；
2.用戶LED x4，實現基本指示功能，另有一個電源指示LED；
3.有源蜂鳴器x1，提供報警功能；
4.紅外發射管x2，紅外接收頭x1，實現紅外收發遙控功能；
5.七段數碼管x2，實現8位數字顯示，通過SPI介面的MAX7219晶元驅動；
6.I/O和電源擴展排針若干。
設定好需求後，首先需要考慮的是結構問題，本例的設計針對的是樹莓派2B型號，同時也兼容一代的B+型號。下圖為樹莓派2B/B+的機械結構：

針對樹莓派的機械結構，可以設計全長和半長兩種HAT。全長板與樹莓派外框尺寸相同，但由於樹莓的USB和RJ45連接器較高，需要注意該區域底層的器件是否會與連接器接觸。
半長板則只包含四個螺孔的區域。
兩種板型都通過2.54mm間距排座與主板上的排針連接，並通過4個M2.5銅柱或螺釘與主板進行固定。如下圖所示。


圖 全長HAT和半長HAT
兔子已將設計好的兩種尺寸HAT存放在GitHub上，讀者可以在此基礎上進行設計。
分析完機械結構後，緊接著需要考慮的是I/O資源分配。樹莓派2B/B+的I/O中包括兩個SPI介面、兩個I2C介面和一個UART介面。沒有可用的硬體PWM和ADC。並且，I2C0被用作IDPROM介面，用於讀取HAT板卡信息，用戶無法使用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX，目前Linux驅動尚不完善，但可以通過pigpo庫調用。如下圖所示：

本例將SPI0、I2C1和UART0引出至排針，MAX7219使用SPI1控制，並使用GPIO作為軟片選。其他功能根據布線任意分配GPIO。
2.硬體設計與製作
需求分析完成後開始進行硬體設計，兔子使用的是Cadence 16.6工具。原理圖工具為OrCAD Capture CIS，PCB工具為Allegro PCB Editor。
首先是IDPROM，將一片EEPROM與樹莓派的I2C0相連。這部分電路為保留功能，實際生產時不安裝（實際不焊接的器件用NC表示）。

用戶LED使用GPIO灌電流控制，當IO為低時LED點亮。

按鍵部分通過GPIO檢測按鍵左側電平實現，按鍵鬆開時為高電平，按下為低電平。這裡未添加硬體消抖，需要軟體實現。

紅外發射管需要電流較大，因此通過一個GPIO控制NPN三極體來驅動紅外LED，高電平時紅外管導通。可以只焊接並使用一個LED，使用兩個LED可以增強紅外信號。

紅外接收採用一體接收頭HS0038，可以工作在3.3V電壓下，使用一個GPIO來接收紅外信號。

有源蜂鳴器也需要較大電流，和紅外管一樣採用三極體驅動，GPIO高電平時蜂鳴器發聲。

數字顯示採用兩個4位7段數碼管（共陰極，算上小數點其實是8段），並通過MAX7219晶元進行驅動。MAX7219最多提供8段8位顯示，這裡將MAX7219的段碼A~DP按順序同時連接兩片數碼管，用於顯示每一位的內容。而MAX7219的數位（Digital）選擇信號則分別連至兩片數碼管各公共端。
MAX7219通過SPI與樹莓派相連，由於只需要控制不需要讀取信息，DOUT可不接。晶元採用5V供電，嚴格意義上SPI應使用5V電平，經過樹莓派的3.3V電平也可以正常控制，但建議設置電平轉換電路。


最後是介面擴展排針，串接的100ohm電阻起限流保護作用。每個介面分別提供了3.3V電源和GND。


ICA HAT的PCB採用廉價的雙面板（兔子生產10片PCB只需要50RMB），需要說明的是布局。
根據一般用戶的使用習慣，數碼管並排放置於板子的上部（最為醒目的位置），按鍵放在板子的右下角（慣用左手的朋友可放在左側）。紅外收發部分和IO介面整齊排列於四周板邊以防止阻擋和方便接線。其他的如LED和蜂鳴器在板中間選擇位置放置即可。


設計好的PCB文件可導出成光繪（Artwork）和鑽孔（Drill）文件交予PCB廠商生產，國內的廠商一般也會接受Altium Designer和Protel格式的工程文件，但實際也是轉成光繪來進行生產的。廠商同時會提供免費的測試，保證電路不出現短路等情況，下圖為生產好的PCB：


PCB生產後是器件貼片焊接，如果是機器焊接就需要提供生產鋼網用的助焊層（Solder mask）文件，和用於機器貼片的裝配層（Assembly）文件.
這裡由於器件簡單量少，兔子採用手工焊接的方式。焊接時可先焊接難度較大引腳密集的貼片IC，然後焊接高度較低的貼片器件，最後焊接較高的直插器件。連接器和數碼管可於最後焊接。下圖為手工焊接完成的電路板，我們稱之為PCBA：


需要注意的是，焊接完成後需要測試電路是否短路，特別是電源的短路，然後再上電測試。否則不但可能燒壞HAT板子，還有可能損壞樹莓派主板。
原文出處。