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树莓派扩展板教程

Arduino的扩展板被称为Shield,而树莓派的扩展板则称作HAT(Hardware Attached on Top),意为附加在树莓派顶上的硬件板卡。下面就带着大家从零开始设计一块开源的树莓派扩展板,暂名为Raspberry Pi ICA HAT。

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  Raspberry Pi ICA HAT

  1. 需求分析

  设计HAT的初衷是为树莓派提供基本的显示和用户输入功能,并引出UART、I2C、SPI等硬件接口,方便连接其他模块,同时也能够做为用户学习树莓派硬件编程的入门板(Starter Board)。ICA HAT的配置如下:

  1. 用户按键x5,可以作为上下左右和“确定”按键;

  2. 用户LED x4,实现基本指示功能,另有一个电源指示LED;

  3. 有源蜂鸣器x1,提供报警功能;

  4. 红外发射管x2,红外接收头x1,实现红外收发遥控功能;

  5. 七段数码管x2,实现8位数字显示,通过SPI接口的MAX7219芯片驱动;

  6. I/O和电源扩展排针若干。

  设定好需求后,首先需要考虑的是结构问题,本例的设计针对的是树莓派2B型号,同时也兼容一代的B+型号。下图为树莓派2B/B+的机械结构:

教你DIY一个树莓派扩展板

  针对树莓派的机械结构,可以设计全长和半长两种HAT。全长板与树莓派外框尺寸相同,但由于树莓的USB和RJ45连接器较高,需要注意该区域底层的器件是否会与连接器接触。

  半长板则只包含四个螺孔的区域。

  两种板型都通过2.54mm间距排座与主板上的排针连接,并通过4个M2.5铜柱或螺钉与主板进行固定。如下图所示。

教你DIY一个树莓派扩展板

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  全长HAT和半长HAT

  已将设计好的两种尺寸HAT存放在GitHub上,读者可以在此基础上进行设计。

  分析完机械结构后,紧接着需要考虑的是I/O资源分配。树莓派2B/B+的I/O中包括两个SPI接口、两个I2C接口和一个UART接口。没有可用的硬件PWM和ADC。并且,I2C0被用作IDPROM接口,用于读取HAT板卡信息,用户无法使用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX,目前 Linux驱动尚不完善,但可以通过pigpo库调用。如下图所示:

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  本例将SPI0、I2C1和UART0引出至排针,MAX7219使用SPI1控制,并使用GPIO作为软片选。其他功能根据布线任意分配GPIO。

2. 硬件设计与制作

  需求分析完成后开始进行硬件设计,兔子使用的是Cadence 16.6工具。原理图工具为OrCAD Capture CIS,PCB工具为Allegro PCB Editor。

  首先是IDPROM,将一片EEPROM与树莓派的I2C0相连。这部分电路为保留功能,实际生产时不安装(实际不焊接的器件用NC表示)。

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  用户LED使用GPIO灌电流控制,当IO为低时LED点亮。

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  按键部分通过GPIO检测按键左侧电平实现,按键松开时为高电平,按下为低电平。这里未添加硬件消抖,需要软件实现。

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  红外发射管需要电流较大,因此通过一个GPIO控制NPN三极管来驱动红外LED,高电平时红外管导通。可以只焊接并使用一个LED,使用两个LED可以增强红外信号。

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  红外接收采用一体接收头HS0038,可以工作在3.3V电压下,使用一个GPIO来接收红外信号。

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  有源蜂鸣器也需要较大电流,和红外管一样采用三极管驱动,GPIO高电平时蜂鸣器发声。

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  数字显示采用两个4位7段数码管(共阴极,算上小数点其实是8段),并通过MAX7219芯片进行驱动。MAX7219最多提供8段8位显示,这里将 MAX7219的段码A~DP按顺序同时连接两片数码管,用于显示每一位的内容。而MAX7219的数位(Digital)选择信号则分别连至两片数码管各公共端。

  MAX7219通过SPI与树莓派相连,由于只需要控制不需要读取信息,DOUT可不接。芯片采用5V供电,严格意义上SPI应使用5V电平,经过树莓派的3.3V电平也可以正常控制,但建议设置电平转换电路。

教你DIY一个树莓派扩展板

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  最后是接口扩展排针,串接的100ohm电阻起限流保护作用。每个接口分别提供了3.3V电源和GND。

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  ICA HAT的PCB采用廉价的双面板(生产10片PCB只需要50RMB),需要说明的是布局。

  根据一般用户的使用习惯,数码管并排放置于板子的上部(最为醒目的位置),按键放在板子的右下角(惯用左手的朋友可放在左侧)。红外收发部分和IO接口整齐排列于四周板边以防止阻挡和方便接线。其他的如LED和蜂鸣器在板中间选择位置放置即可。

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  设计好的PCB文件可导出成光绘(Artwork)和钻孔(Drill)文件交予PCB厂商生产,国内的厂商一般也会接受Altium Designer和Protel格式的工程文件,但实际也是转成光绘来进行生产的。厂商同时会提供免费的测试,保证电路不出现短路等情况,下图为生产好的 PCB:

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  PCB生产后是器件贴片焊接,如果是机器焊接就需要提供生产钢网用的助焊层(Solder mask)文件,和用于机器贴片的装配层(Assembly)文件。

  这里由于器件简单量少,兔子采用手工焊接的方式。焊接时可先焊接难度较大引脚密集的贴片IC,然后焊接高度较低的贴片器件,最后焊接较高的直插器件。连接器和数码管可于最后焊接。下图为手工焊接完成的电路板,我们称之为PCBA:

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  需要注意的是,焊接完成后需要测试电路是否短路,特别是电源的短路,然后再上电测试。否则不但可能烧坏HAT板子,还有可能损坏树莓派主板。

来自: OFweek 电子工程网

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