Dissenyeu el vostre propi PCB de mòduls de càlcul Raspberry Pi: 5 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Si mai no heu sentit a parlar del mòdul de càlcul Raspberry Pi, bàsicament es tracta d’un ordinador Linux de ple dret amb el format de memòria RAM d’un portàtil.

Amb això, és possible dissenyar els vostres propis taulers personalitzats on el Raspberry Pi sigui només un component més. Això us proporciona una gran quantitat de flexibilitat, ja que us permet accedir a una quantitat molt més gran de pins IO, alhora que podeu triar exactament el maquinari que voleu a la vostra placa. L'eMMC de bord també elimina la necessitat d'una targeta micro SD externa, cosa que fa que el mòdul de càlcul sigui perfecte per dissenyar productes basats en Raspberry Pi.

Malauradament, tot i que el mòdul de càlcul us permet fer tot això, sembla que encara falta en termes de popularitat en comparació amb els tradicionals Raspberry Pi Model A i B. Com a resultat, no hi ha molts projectes de maquinari de codi obert basats en això. I per a qualsevol persona que vulgui començar a dissenyar els seus propis taulers, la quantitat de recursos que té és bastant limitada.

Quan vaig començar per primera vegada amb el mòdul de càlcul Raspberry Pi fa uns mesos, aquest era exactament el problema amb què em trobava. Per tant, vaig decidir fer-hi alguna cosa. Vaig decidir dissenyar un PCB de codi obert basat en el mòdul de càlcul, que tindrà totes les funcions bàsiques que fan que el Raspberry Pi sigui fantàstic. Això inclou un connector de càmera, un host USB, una sortida d’àudio, HDMI i, per descomptat, una capçalera GPIO compatible amb les plaques Raspberry Pi normals.

L'objectiu d'aquest projecte és proporcionar un disseny de codi obert per a una placa basada en mòduls de càlcul, que qualsevol persona pugui utilitzar com a punt de partida per dissenyar la seva pròpia placa personalitzada. El tauler es va dissenyar amb KiCAD, un paquet de programari EDA de codi obert i multiplataforma, per tal de permetre que tanta gent com sigui possible se n’aprofiti.

Simplement agafeu els fitxers de disseny, adapteu-los a les vostres necessitats i gireu el vostre propi tauler personalitzat per al vostre projecte.

Pas 1: peces i eines

Per començar amb el mòdul de càlcul Raspberry Pi, necessitareu les parts següents:

1 x Mòdul de càlcul 3 de Raspberry Pi: us recomano obtenir la versió normal que inclou l’eMMC integrada i no la versió Lite. Si voleu utilitzar la versió Lite al vostre projecte, haureu de fer alguns canvis al disseny, que inclouen un connector de targeta micro SD. Finalment, només he provat la placa amb el CM3 i no puc garantir que funcioni amb la primera versió de CM que es va llançar el 2014.

Actualització 29/1/2019: sembla que la Fundació acaba de llançar el Compute Module 3+ i no només això, sinó que ara també inclou l'opció d'un eMMC de 8 GB, 16 GB o 32 GB. Segons el full de dades, sembla que el CM3 + és elèctric idèntic al CM3, cosa que significa que bàsicament suposa un descens de substitució del CM3.

1 x Taula IO Compute Module: el meu disseny tenia la intenció de servir com a punt de partida per al disseny del vostre propi tauler personalitzat basat en ella, no per substituir la placa IO Compute Module. Per tant, per fer-vos la vida més fàcil, us recomano encarregar-vos de les mans a una placa IO i utilitzar-la per al desenvolupament abans de passar a una placa personalitzada. A part de donar-vos accés a tots els pins del CM més una varietat de connectors, la placa IO també és necessària per intermitir l’eMMC de la placa. Cosa que no podeu fer amb el meu tauler, tret que primer feu algun canvi al disseny.

1 x cable de càmera Raspberry Pi Zero o adaptador de càmera Compute Module: segons el meu disseny, estic fent servir un connector de càmera molt similar al que utilitzen la placa IO Compute Module i el Raspberry Pi Zero. Per tant, per connectar una càmera necessitareu un cable adaptador dissenyat per al Pi Zero o la placa adaptadora de càmera que s’uneix amb el kit de desenvolupament del mòdul de càlcul. Pel que sé, comprar la placa adaptadora per separat és bastant car. Per tant, si us agrada, heu decidit comprar el vostre CM i IO Board per separat per estalviar una mica de diners, us aconsello que feu el cable adaptador de la càmera dissenyat per al Pi Zero.

1 x mòdul de càmera Raspberry Pi: només he provat la placa amb el mòdul de càmera original de 5MP i no la versió més recent de 8MP. Però com que el primer sembla funcionar bé, no veig cap motiu perquè el posterior no ho faci, ja que se suposa que és compatible amb les versions posteriors. Sigui com sigui, la versió 5MP es pot trobar per menys de 5 € a eBay actualment, per això us recomanaria obtenir-ne una.

4 x cables de pont femení a femení: necessitareu almenys 4 per configurar el connector de la càmera a la placa IO, però és probable que vulgueu obtenir-ne més. No són necessaris per al tauler personalitzat, però poden ser útils si teniu previst connectar qualsevol maquinari extern mitjançant la capçalera GPIO.

1 x cable HDMI: vaig decidir utilitzar un connector HDMI de mida completa a la meva placa per eliminar la necessitat d'adaptadors. Per descomptat, si preferiu utilitzar un connector mini o fins i tot micro HDMI, no dubteu a adaptar el disseny a les vostres necessitats.

1 x 5V Micro USB Power Supply: el vostre carregador de telèfon probablement hauria de funcionar bé en la majoria dels casos, sempre que pugui proporcionar almenys 1A. Tingueu en compte que aquest és només un valor general, ja que els vostres requisits d’alimentació dependran del maquinari que decidiu incloure al vostre tauler personalitzat.

1 x adaptador Ethernet USB: si teniu previst instal·lar o actualitzar gairebé qualsevol paquet del vostre sistema, necessitareu almenys accés temporal a Internet. Un adaptador Ethernet 2 en 1 més concentrador USB és probablement un bon combinat, ja que només teniu disponible un port USB. Personalment faig servir l’Edimax EU-4208, que funciona amb el Pi i no necessita alimentació externa, però no té un concentrador USB incorporat. Si esteu buscant un adaptador USB Ethernet aquí, podeu cerqueu una llista amb les que s’hagin provat amb el Raspberry Pi.

Si voleu afegir més ports USB i fins i tot Etherent directament a la vostra placa personalitzada, us suggeriré que consulteu el LAN9512 de Microchip. És el mateix xip utilitzat pel Raspberry Pi model B original i us proporcionarà 2 ports USB i 1 port Ethernet. Com a alternativa, si necessiteu 4 ports USB, penseu a fer una ullada al seu cosí LAN9514.

1 x DDR2 SODIMM RAM Connector: aquest és probablement el component més important de tota la placa i probablement l'únic que no es pot substituir fàcilment. Per estalviar-vos els problemes, la part que hauríeu d’obtenir és la TE CONNECTIVITY 1473005-4. Està disponible a la majoria de proveïdors importants, inclosos TME, Mouser i Digikey, de manera que no hauríeu de tenir problemes per trobar-lo. Tingueu molta cura, però, comproveu-ho de nou i assegureu-vos que la peça que esteu demanant és, de fet, la 1473005-4. No cometeu el mateix error que he comès i obtingueu la versió reflectida, aquests connectors no són barats.

Per a la resta de parts que he escollit incloure a la pissarra, podeu fer una ullada a la llista de materials per obtenir més informació; he intentat incloure enllaços a les fitxes tècniques per a la majoria.

Equips de soldadura: els components més petits de la placa són els condensadors de desacoblament 0402, però el HDMI, la càmera i els connectors SODIMM també poden ser una mica difícils sense cap tipus d’augment. Si teniu una bona experiència amb la soldadura SMD, heu pensat que no hauria de ser un gran problema. Sigui com sigui, si és que teniu accés a un microscopi, el recomano.

Pas 2: Intermitent de l'EMMC

El primer que heu de fer abans de començar a fer servir el mòdul de càlcul és fer veure la imatge més recent de Raspbian Lite a l'eMMC. La documentació oficial de Raspberry Pi està molt ben redactada i descriu tot el procés amb gran detall, tant per a Linux com per a Windows. Per aquest motiu, només vaig a descriure els passos que heu de fer breument a Linux, perquè puguin servir de referència ràpida.

Primer de tot, heu d’assegurar-vos que teniu la placa IO configurada en mode de programació i que el mòdul de càlcul s’insereix al connector SODIMM. Per configurar el tauler en mode de programació, moveu el pont J4 a la posició EN.

A continuació, haureu de crear l'eina rpiboot al vostre sistema perquè pugueu utilitzar-la per obtenir accés a l'eMMC. Per fer-ho, necessiteu una còpia del repositori usbboot que es pot obtenir fàcilment mitjançant git de la manera següent, git clone --depth = 1 https://github.com/raspberrypi/usbboot && cd usbboot

Ara, per construir rpiboot, heu d'assegurar-vos que tant paquets libusb-1.0-0-make com make estan instal·lats al vostre sistema. Per tant, suposant que utilitzeu una distribució basada en Debian, com ara Ubuntu, sudo apt update && sudo apt install libusb-1.0-0-dev make

Si no utilitzeu una distribució basada en Debian, el nom del paquet libusb-1.0.0-dev pot ser diferent, així que assegureu-vos de trobar com es diu en el vostre cas. Un cop instal·lades les dependències de compilació, podeu construir el binari rpiboot simplement executant, fer

Un cop finalitzada la construcció, executeu rpiboot com a root i començarà a esperar una connexió, sudo./rpiboot

Ara connecteu la placa IO a l’ordinador connectant un cable micro USB al port USB SLAVE i, a continuació, apliqueu alimentació al port POWER IN. Al cap d’uns segons, el rpiboot hauria de poder detectar el mòdul de càlcul i permetre l’accés a l’eMMC. Això hauria de provocar que aparegui un nou dispositiu de bloqueig a / dev. Podeu utilitzar el programa fdisk per ajudar-vos a trobar el nom del dispositiu, sudo fdisk -l

Disc / dev / sdi: 3,7 GiB, 3909091328 bytes, 7634944 sectors

Unitats: sectors d'1 * 512 = 512 bytes Mida del sector (lògica / física): 512 bytes / 512 bytes Mida d'E / S (mínim / òptim): 512 bytes / 512 bytes Tipus de disc etiqueta: dos Identificador de disc: 0x8e3a9721

Dispositius Arrencada Finalització Sectors Tipus d'identificador de mida

/ dev / sdi1 8192 137215 129024 63M c W95 FAT32 (LBA) / dev / sdi2 137216 7634943 7497728 3.6G 83 Linux

En el meu cas, era / dev / sdi, ja que tinc bastants discs connectats al meu sistema, però el vostre segur que variarà.

Després d’haver estat absolutament segur que heu trobat el nom correcte del dispositiu, podeu utilitzar dd per gravar la imatge de Raspbian Lite a l’eMMC. Abans de fer-ho, assegureu-vos que no hi hagi cap partició de l'eMMC muntada al vostre sistema.

df -h

Si en trobeu algun, desmunteu-los de la següent manera, sudo umount / dev / sdXY

Ara tingueu molta cura, si utilitzeu un nom de dispositiu incorrecte amb dd, pot destruir el vostre sistema i provocar la pèrdua de dades. No seguiu el pas següent tret que estigueu completament segur que sabeu què feu. Si necessiteu més informació, consulteu la documentació al respecte.

sudo dd if = -raspbian-stretch-lite.img de = / dev / sdX bs = 4M && sync

Un cop finalitzin les ordres dd i sync, hauríeu de poder desconnectar la placa IO de l'ordinador. Finalment, no oblideu tornar a moure el pont J4 a la posició DIS i el vostre mòdul de càlcul hauria d’estar preparat per al seu primer arrencada.

Pas 3: primer arrencada

Abans d’arrencar per primera vegada, assegureu-vos d’endollar un teclat USB i un monitor HDMI a la placa IO. Si tot va com s’esperava i el vostre Pi acaba d’arrencar, tenir-los connectats us permetrà interactuar-hi.

Quan se us demani que inicieu la sessió, utilitzeu "pi" per al nom d'usuari i "raspberry" per a la contrasenya, ja que són les credencials d'inici de sessió predeterminades. Ara podeu executar algunes ordres per assegurar-vos que tot funcioni tal com s’esperava com ho faríeu normalment en qualsevol Raspberry Pi, però encara no intenteu instal·lar res, ja que encara no teniu connexió a Internet.

Una cosa important que heu de fer abans d'apagar el Pi és habilitar SSH, de manera que pugueu connectar-vos-hi des del vostre ordinador després del següent arrencada. Podeu fer-ho molt fàcilment amb l'ordre raspi-config, sudo raspi-config

Per activar SSH, aneu a Opcions d'interfície, seleccioneu SSH, trieu SÍ, D'acord i Finalitza. En cas que se us demani si voleu reiniciar el rebutjat. Quan hàgiu acabat, apagueu el Pi i, un cop acabi, traieu el corrent.

sudo shutdown -h ara

A continuació, heu d’establir una connexió a Internet mitjançant l’adaptador USB Ethernet que ja hauríeu de tenir. Si l'adaptador també disposa d'un concentrador USB, podeu utilitzar-lo per connectar el teclat si voleu, en cas contrari, només podeu connectar-vos al Pi mitjançant SSH. Sigui com sigui, mantingueu el monitor HDMI connectat almenys per ara, per assegurar-vos que el procés d'arrencada finalitzi com s'esperava.

A més, cap al final també us hauria de mostrar l'adreça IP que el vostre Pi va obtenir del servidor DHCP. Proveu d’utilitzar-lo per connectar-vos al vostre Pi mitjançant SSH.

ssh pi @

Després de connectar-vos correctament al vostre Pi mitjançant SSH, ja no necessiteu el monitor i el teclat endollats, així que no dubteu a desconnectar-los si voleu. En aquest punt, també hauríeu de tenir accés a Internet des del vostre Pi; podeu provar de fer ping a alguna cosa com google.com per verificar-ho. Després d'assegurar-vos que teniu accés a Internet, és una bona idea actualitzar el sistema executant, actualització sudo apt && actualització sudo apt

Pas 4: Configuració de la càmera

La diferència més gran entre una placa Raspberry Pi normal i el mòdul de càlcul és que, en el cas dels darrers, a part d’activar la càmera només mitjançant l’ús de raspi-config, també necessiteu un fitxer d’arbre de dispositiu personalitzat.

Podeu trobar més informació sobre la configuració del mòdul de càlcul per utilitzar amb una càmera a la documentació. Però, en general, el connector de la càmera, entre els altres, també compta amb 4 pins de control, que han d’estar connectats a 4 pins GPIO del mòdul de càlcul, i correspon a vosaltres decidir quins en dissenyar la vostra placa personalitzada.

En el meu cas, mentre dissenyava la placa, trio CD1_SDA per anar a GPIO28, CD1_SCL a GPIO29, CAM1_IO1 a GPIO30 i CAM1_IO0 a GPIO31. He triat aquests pins GPIO particulars perquè volia tenir una capçalera GPIO de 40 pins a la meva placa, que també manté la compatibilitat amb el connector GPIO de les plaques Raspberry Pi normals. I per aquest motiu, em vaig haver d’assegurar que els pins GPIO que utilitzo per a la càmera no apareguin també a la capçalera GPIO.

Per tant, tret que decidiu fer canvis al cablejat del connector de la càmera, necessiteu un fitxer /boot/dt-blob.bin que indiqui al vostre Pi que configureu GPIO28-31 tal com s’ha descrit anteriorment. I per generar un dt-blob.bin, que és un fitxer binari, necessiteu un dt-blob.dts per compilar. Per facilitar les coses, us proporcionaré el meu propi dt-blob.dts perquè pugueu utilitzar-lo, que després podreu adaptar a les vostres necessitats.

Per compilar el fitxer d'arbre de dispositius, utilitzeu el compilador d'arbres de dispositius de la manera següent, dtc -I dts -O dtb -o dt-blob.bin dt-blob.dts

No estic segur de per què, però l'anterior hauria de donar lloc a bastants advertiments, però sempre que s'hagi generat correctament dt-blob.bin, tot hauria d'anar bé. Ara, moveu el dt-blob.bin que acabeu de generar a / boot executant, sudo mv dt-blob.bin /boot/dt-blob.bin

Probablement, l’anterior us donarà l’advertència següent, mv: no s'ha pogut preservar la propietat de '/boot/dt-blob.bin': l'operació no està permesa

Això només es queixa de que no pot preservar la propietat del fitxer ja que / boot és una partició FAT que és d’esperar. És possible que us hàgiu adonat que /boot/dt-blob.bin no existeix per defecte, perquè el Pi utilitza un arbre de dispositius integrat. Si afegiu el vostre propi interior / arrencada, substitueix el construït en un i us permet configurar la funció del seu pin com vulgueu. Podeu trobar més informació sobre l'arbre del dispositiu a la documentació.

Un cop fet això, haureu d'activar la càmera, sudo raspi-config

Aneu a Opcions d'interfície, seleccioneu Càmera, trieu SÍ, D'acord i Finalitza. En cas que se us demani si voleu reiniciar el rebutjat. Ara, apagueu el Pi i traieu l’alimentació.

Després de retirar l'alimentació de la placa IO, mitjançant 4 cables de pont femella a femella connecteu els pins de GPIO28 a CD1_SDA, GPIO29 a CD1_SCL, GPIO30 a CAM1_IO1 i GPIO31 a CAM1_IO0. Finalment, connecteu el mòdul de la càmera al connector CAM1 mitjançant la placa d'adaptació de la càmera o un cable de càmera dissenyat per al Raspberry Pi Zero i apliqueu energia.

Si tot va funcionar com s'esperava després de l'arrencada del Pi, hauríeu de poder utilitzar la càmera. Per intentar fer una foto després de connectar-vos al vostre Pi mitjançant SSH, raspistill -o test.jpg

Si l'ordre acaba sense errors i es crea un test.jpg, vol dir que ha funcionat. Si voleu fer una ullada a la foto que acabeu de fer, podeu connectar-vos al vostre Pi mitjançant SFTP i transferir-la al vostre ordinador.

sftp pi @

sftp> get test.jpg sftp> exit

Pas 5: passar de la placa IO a un PCB personalitzat

Ara que heu acabat amb tota la configuració bàsica, podeu passar a dissenyar la vostra pròpia placa personalitzada basada en el mòdul de càlcul. Com que aquest serà el vostre primer projecte, us animo a agafar el meu disseny i ampliar-lo per incloure qualsevol maquinari addicional que vulgueu.

La part posterior del tauler té molt d’espai per afegir els vostres propis components i per a projectes relativament petits és probable que ni tan sols hagueu d’augmentar les dimensions del tauler. A més, en cas que es tracti d’un projecte autònom i no necessiteu cap capçalera GPIO física a la vostra placa, podeu desfer-vos-en fàcilment i estalviar una mica d’espai a la part superior del PCB. La capçalera GPIO també és l’únic component que s’encamina a la segona capa interna i que s’elimina completament.

He d’assenyalar que he muntat i provat amb èxit una de les plaques jo mateix i he comprovat que tot, inclosa la càmera i la sortida HDMI, sembla funcionar com s’esperava. Per tant, mentre no feu canvis enormes a la manera com he encaminat tot el que heu de tenir, no hauríeu de tenir cap problema.

En cas que hàgiu de fer canvis de disseny importants, tingueu en compte que la majoria de traces que van als connectors HDMI i càmera s’encaminen com a parells diferencials de 100 ohms. Això vol dir que heu de tenir-ho en compte per si els heu de moure pel tauler. A més, vol dir que, fins i tot si deixeu de banda el capçal GPIO del vostre disseny, el que significa que ara les capes internes no contindran cap rastre, encara necessiteu un PCB de 4 capes per aconseguir una impedància diferencial propera als 100 Ohm. Tot i que si no feu ús de la sortida HDMI i la càmera, hauríeu de poder anar amb una placa de 2 capes desfer-vos-en i reduir una mica el cost de les taules.

Només com a referència, les taules es van demanar a ALLPCB amb un gruix total d’1,6 mm i no vaig demanar control d’impedància, ja que probablement augmentaria força el cost i també volia veure si seria important. També vaig seleccionar un acabat daurat per immersió per facilitar la soldadura manual dels connectors, ja que garanteix que tots els coixinets seran agradables i plans.