DIY一个树莓派扩展板

　　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。下面就带着咱们从零开端规划一块开源的树莓派扩展板，暂名为Raspberry Pi ICA HAT。

　　Raspberry Pi ICA HAT

　　1. 需求剖析

　　规划HAT的初衷是为树莓派供给根本的显现和用户输入功用，并引出UART、I2C、SPI等硬件接口，便利衔接其他模块，一起也能够做为用户学习树莓派硬件编程的入门板（Starter Board）。ICA HAT的装备如下：

　　1. 用户按键x5，能够作为上下左右和“确认”按键；

　　2. 用户LED x4，完结根本指示功用，还有一个电源指示LED；

　　3. 有源蜂鸣器x1，供给报警功用；

　　4. 红外发射管x2，红外接纳头x1，完结红外收发遥控功用；

　　5. 七段数码管x2，完结8位数字显现，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，首要需求考虑的是结构问题，本例的规划针对的是树莓派2B类型，一起也兼容一代的B+类型。下图为树莓派2B/B+的机械结构：

　　针对树莓派的机械结构，能够规划全长和半长两种HAT。全长板与树莓派外框尺度相同，但因为树莓的USB和RJ45衔接器较高，需求留意该区域底层的器材是否会与衔接器触摸。

　　半长板则只包含四个螺孔的区域。

　　两种板型都通过2.54mm距离排座与主板上的排针衔接，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

　已将规划好的两种尺度HAT存放在GitHub上，读者能够在此基础上进行规划。

　　剖析完机械结构后，紧接着需求考虑的是I/O资源分配。树莓派2B/B+的I/O中包含两个SPI接口、两个I2C接口和一个UART接口。没有可用的硬件PWM和ADC。而且，I2C0被用作IDPROM接口，用于读取HAT板卡信息，用户无法运用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX，现在 Linux驱动尚不完善，但能够通过pigpo库调用。如下图所示：

　　本例将SPI0、I2C1和UART0引出至排针，MAX7219运用SPI1操控，并运用GPIO作为软片选。其他功用依据布线恣意分配GPIO。

　　2. 硬件规划与制造

　　需求剖析完结后开端进行硬件规划，兔子运用的是Cadence 16.6东西。原理图东西为OrCAD Capture CIS，PCB东西为Allegro PCB Editor。

　　首要是IDPROM，将一片EEPROM与树莓派的I2C0相连。这部分电路为保存功用，实践出产时不装置（实践不焊接的器材用NC表明）。

　　用户LED运用GPIO灌电流操控，当IO为低时LED点亮。

　　按键部分通过GPIO检测按键左边电平完结，按键松开时为高电平，按下为低电平。这儿未增加硬件消抖，需求软件完结。

　　红外发射管需求电流较大，因而通过一个GPIO操控NPN三极管来驱动红外LED，高电平时红外管导通。能够只焊接并运用一个LED，运用两个LED能够增强红外信号。

　　红外接纳选用一体接纳头HS0038，能够作业在3.3V电压下，运用一个GPIO来接纳红外信号。

　　有源蜂鸣器也需求较大电流，和红外管相同选用三极管驱动，GPIO高电平时蜂鸣器发声。

　　数字显现选用两个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最多供给8段8位显现，这儿将 MAX7219的段码A~DP按次序一起衔接两片数码管，用于显现每一位的内容。而MAX7219的数位（Digital）挑选信号则别离连至两片数码管各公共端。

　　MAX7219通过SPI与树莓派相连，因为只需求操控不需求读取信息，DOUT可不接。芯片选用5V供电，严厉意义上SPI应运用5V电平，通过树莓派的3.3V电平也能够正常操控，但主张设置电平转化电路。