2. 硬件设计与制作 - DIY一个树莓派扩展板

　　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（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。