玩轉(zhuǎn)樹莓派！設(shè)計(jì)一個(gè)專屬你的開源擴(kuò)展板

Arduino的擴(kuò)展板被稱為Shield，而樹莓派的擴(kuò)展板則稱作HAT（Hardware Attached on Top），意為附加在樹莓派頂上的硬件板卡。下面就帶著大家從零開始設(shè)計(jì)一塊開源的樹莓派擴(kuò)展板，暫名為Raspberry Pi ICA HAT。

Raspberry Pi ICA HAT

1. 需求分析

設(shè)計(jì)HAT的初衷是為樹莓派提供基本的顯示和用戶輸入功能，并引出UART、I2C、SPI等硬件接口，方便連接其他模塊，同時(shí)也能夠做為用戶學(xué)習(xí)樹莓派硬件編程的入門板（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(shí)現(xiàn)基本指示功能，另有一個(gè)電源指示LED；

3. 有源蜂鳴器x1，提供報(bào)警功能；

4. 紅外發(fā)射管x2，紅外接收頭x1，實(shí)現(xiàn)紅外收發(fā)遙控功能；

5. 七段數(shù)碼管x2，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)字顯示，通過SPI接口的MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)；

6. I/O和電源擴(kuò)展排針若干。

設(shè)定好需求后，首先需要考慮的是結(jié)構(gòu)問題，本例的設(shè)計(jì)針對(duì)的是樹莓派2B型號(hào)，同時(shí)也兼容一代的B+型號(hào)。下圖為樹莓派2B/B+的機(jī)械結(jié)構(gòu)：

針對(duì)樹莓派的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)全長(zhǎng)和半長(zhǎng)兩種HAT。全長(zhǎng)板與樹莓派外框尺寸相同，但由于樹莓的USB和RJ45連接器較高，需要注意該區(qū)域底層的器件是否會(huì)與連接器接觸。

半長(zhǎng)板則只包含四個(gè)螺孔的區(qū)域。

兩種板型都通過2.54mm間距排座與主板上的排針連接，并通過4個(gè)M2.5銅柱或螺釘與主板進(jìn)行固定。如下圖所示。

圖 全長(zhǎng)HAT和半長(zhǎng)HAT

已將設(shè)計(jì)好的兩種尺寸HAT存放在GitHub上，讀者可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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分析完機(jī)械結(jié)構(gòu)后，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(gè)SPI接口、兩個(gè)I2C接口和一個(gè)UART接口。沒有可用的硬件PWM和ADC。并且，I2C0被用作IDPROM接口，用于讀取HAT板卡信息，用戶無法使用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX，目前 Linux驅(qū)動(dòng)尚不完善，但可以通過pigpo庫調(diào)用。如下圖所示：

本例將SPI0、I2C1和UART0引出至排針，MAX7219使用SPI1控制，并使用GPIO作為軟片選。其他功能根據(jù)布線任意分配GPIO。

2. 硬件設(shè)計(jì)與制作

需求分析完成后開始進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，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(shí)際生產(chǎn)時(shí)不安裝（實(shí)際不焊接的器件用NC表示）。

用戶LED使用GPIO灌電流控制，當(dāng)IO為低時(shí)LED點(diǎn)亮。

按鍵部分通過GPIO檢測(cè)按鍵左側(cè)電平實(shí)現(xiàn)，按鍵松開時(shí)為高電平，按下為低電平。這里未添加硬件消抖，需要軟件實(shí)現(xiàn)。

紅外發(fā)射管需要電流較大，因此通過一個(gè)GPIO控制NPN三極管來驅(qū)動(dòng)紅外LED，高電平時(shí)紅外管導(dǎo)通?？梢灾缓附硬⑹褂靡粋€(gè)LED，使用兩個(gè)LED可以增強(qiáng)紅外信號(hào)。

紅外接收采用一體接收頭HS0038，可以工作在3.3V電壓下，使用一個(gè)GPIO來接收紅外信號(hào)。

有源蜂鳴器也需要較大電流，和紅外管一樣采用三極管驅(qū)動(dòng)，GPIO高電平時(shí)蜂鳴器發(fā)聲。

數(shù)字顯示采用兩個(gè)4位7段數(shù)碼管（共陰極，算上小數(shù)點(diǎn)其實(shí)是8段），并通過MAX7219芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。MAX7219最多提供8段8位顯示，這里將 MAX7219的段碼A~DP按順序同時(shí)連接兩片數(shù)碼管，用于顯示每一位的內(nèi)容。而MAX7219的數(shù)位（Digital）選擇信號(hào)則分別連至兩片數(shù)碼管各公共端。

MAX7219通過SPI與樹莓派相連，由于只需要控制不需要讀取信息，DOUT可不接。芯片采用5V供電，嚴(yán)格意義上SPI應(yīng)使用5V電平，經(jīng)過樹莓派的3.3V電平也可以正?？刂?，但建議設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路。

最后是接口擴(kuò)展排針，串接的100ohm電阻起限流保護(hù)作用。每個(gè)接口分別提供了3.3V電源和GND。

ICA HAT的PCB采用廉價(jià)的雙面板（兔子生產(chǎn)10片PCB只需要50RMB），需要說明的是布局。

根據(jù)一般用戶的使用習(xí)慣，數(shù)碼管并排放置于板子的上部（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(cè)）。紅外收發(fā)部分和IO接口整齊排列于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(shè)計(jì)好的PCB文件可導(dǎo)出成光繪（Artwork）和鉆孔（Drill）文件交予PCB廠商生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)的廠商一般也會(huì)接受Altium Designer和Protel格式的工程文件，但實(shí)際也是轉(zhuǎn)成光繪來進(jìn)行生產(chǎn)的。廠商同時(shí)會(huì)提供免費(fèi)的測(cè)試，保證電路不出現(xiàn)短路等情況，下圖為生產(chǎn)好的 PCB：

PCB生產(chǎn)后是器件貼片焊接，如果是機(jī)器焊接就需要提供生產(chǎn)鋼網(wǎng)用的助焊層（Solder mask）文件，和用于機(jī)器貼片的裝配層（Assembly）文件。

這里由于器件簡(jiǎn)單量少，兔子采用手工焊接的方式。焊接時(shí)可先焊接難度較大引腳密集的貼片IC，然后焊接高度較低的貼片器件，最后焊接較高的直插器件。連接器和數(shù)碼管可于最后焊接。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，焊接完成后需要測(cè)試電路是否短路，特別是電源的短路，然后再上電測(cè)試。否則不但可能燒壞HAT板子，還有可能損壞樹莓派主板。