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。

　　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。