从零开始设计一块开源的树莓派扩展板

电路

Arduino的扩展板被称为Shield，而树莓派的扩展板则称作HAT（Hardware]

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]1. 用户按键x5，可以作为上下左右和“确定”按键；

2.]3. 有源蜂鸣器x1，提供报警功能；

4.]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.]

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。

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]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。

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。

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。

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。