玩转树莓派！设计一个专属你的开源扩展板

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。

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：

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。

图 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。

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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：

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）。

用户LED使用GPIO灌电流控制，当IO为低时LED点亮。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ICA HAT的PCB采用廉价的双面板（兔子生产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。

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：

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：

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。