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
20150904210710637-0
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:
20150904210710471-0
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。
20150904210710808-0
20150904210710542-0
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:
20150904210710558-0
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)。
20150904210710464-0
用戶LED使用GPIO灌電流控制,當IO為低時LED點亮。
20150904210709545-0
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。
20150904210709552-0
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。
20150904210709746-0
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。
20150904210709820-0
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。
20150904210709721-0
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。
20150904210709622-0
20150904210709833-0
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。
20150904210709249-0
20150904210709779-0
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。
20150904210709149-0
20150904210709599-0
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:
20150904210709512-0
20150904210709799-0
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:
20150904210709571-0
20150904210710333-0
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。

标签: 树莓派教程