DIY一個樹莓派擴(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；

　　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(jī)械結(jié)構(gòu)：

　　針對樹莓派的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)全長和半長兩種HAT。全長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與連接器接觸。

　　半長板則只包含四個螺孔的區(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M2.5銅柱或螺釘與主板進(jìn)行固定。如下圖所示。

　　圖 全長HAT和半長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)。

　　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SPI接口、兩個I2C接口和一個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LED點(diǎn)亮。

　　按鍵部分通過GPIO檢測按鍵左側(cè)電平實(shí)現(xiàn)，按鍵松開時為高電平，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GPIO控制NPN三極管來驅(qū)動紅外LED，高電平時紅外管導(dǎo)通?？梢灾缓附硬⑹褂靡粋€LED，使用兩個LED可以增強(qiáng)紅外信號。

　　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，和紅外管一樣采用三極管驅(qū)動，GPIO高電平時蜂鳴器發(fā)聲。

　　數(shù)字顯示采用兩個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。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電平也可以正常控制，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。每個接口分別提供了3.3V電源和GND。

　　ICA HAT的PCB采用廉價的雙面板（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)，國內(nèi)的廠商一般也會接受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。廠商同時會提供免費(fèi)的測試，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。

　　這里由于器件簡單量少，兔子采用手工焊接的方式。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，焊接完成后需要測試電路是否短路，特別是電源的短路，然后再上電測試。否則不但可能燒壞HAT板子，還有可能損壞樹莓派主板。