Arduino的擴展板被稱為Shield，而樹莓派的擴展板則稱作HAT（Hardware Attached on Top），意為附加在樹莓派頂上的硬件板卡。下面就帶著大家從零開始設計一塊開源的樹莓派擴展板，暫名為Raspberry Pi ICA HAT。

Raspberry Pi ICA HAT

1. 需求分析

設計HAT的初衷是為樹莓派提供基本的顯示和用戶輸入功能，并引出UART、I2C、SPI等硬件接口，方便連接其他模塊，同時也能夠做為用戶學習樹莓派硬件編程的入門板（Starter Board）。ICA HAT的配置如下：

1. 用戶按鍵x5，可以作為上下左右和“確定”按鍵；

2. 用戶LED x4，實現基本指示功能，另有一個電源指示LED；

3. 有源蜂鳴器x1，提供報警功能；

4. 紅外發射管x2，紅外接收頭x1，實現紅外收發遙控功能；

5. 七段數碼管x2，實現8位數字顯示，通過SPI接口的MAX7219芯片驅動；

6. I/O和電源擴展排針若干。

設定好需求后，首先需要考慮的是結構問題，本例的設計針對的是樹莓派2B型號，同時也兼容一代的B+型號。下圖為樹莓派2B/B+的機械結構：

針對樹莓派的機械結構，可以設計全長和半長兩種HAT。全長板與樹莓派外框尺寸相同，但由于樹莓的USB和RJ45連接器較高，需要注意該區域底層的器件是否會與連接器接觸。

半長板則只包含四個螺孔的區域。

兩種板型都通過2.54mm間距排座與主板上的排針連接，并通過4個M2.5銅柱或螺釘與主板進行固定。如下圖所示。

圖 全長HAT和半長HAT

已將設計好的兩種尺寸HAT存放在GitHub上，讀者可以在此基礎上進行設計。

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分析完機械結構后，緊接著需要考慮的是I/O資源分配。樹莓派2B/B+的I/O中包括兩個SPI接口、兩個I2C接口和一個UART接口。沒有可用的硬件PWM和ADC。并且，I2C0被用作IDPROM接口，用于讀取HAT板卡信息，用戶無法使用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX，目前 Linux驅動尚不完善，但可以通過pigpo庫調用。如下圖所示：

本例將SPI0、I2C1和UART0引出至排針，MAX7219使用SPI1控制，并使用GPIO作為軟片選。其他功能根據布線任意分配GPIO。

2. 硬件設計與制作

需求分析完成后開始進行硬件設計，兔子使用的是Cadence 16.6工具。原理圖工具為OrCAD Capture CIS，PCB工具為Allegro PCB Editor。首先是IDPROM，將一片EEPROM與樹莓派的I2C0相連。這部分電路為保留功能，實際生產時不安裝（實際不焊接的器件用NC表示）。

用戶LED使用GPIO灌電流控制，當IO為低時LED點亮。

按鍵部分通過GPIO檢測按鍵左側電平實現，按鍵松開時為高電平，按下為低電平。這里未添加硬件消抖，需要軟件實現。

紅外發射管需要電流較大，因此通過一個GPIO控制NPN三極管來驅動紅外LED，高電平時紅外管導通。可以只焊接并使用一個LED，使用兩個LED可以增強紅外信號。

紅外接收采用一體接收頭HS0038，可以工作在3.3V電壓下，使用一個GPIO來接收紅外信號。

有源蜂鳴器也需要較大電流，和紅外管一樣采用三極管驅動，GPIO高電平時蜂鳴器發聲。

數字顯示采用兩個4位7段數碼管（共陰極，算上小數點其實是8段），并通過MAX7219芯片進行驅動。MAX7219最多提供8段8位顯示，這里將 MAX7219的段碼A~DP按順序同時連接兩片數碼管，用于顯示每一位的內容。而MAX7219的數位（Digital）選擇信號則分別連至兩片數碼管各公共端。

MAX7219通過SPI與樹莓派相連，由于只需要控制不需要讀取信息，DOUT可不接。芯片采用5V供電，嚴格意義上SPI應使用5V電平，經過樹莓派的3.3V電平也可以正常控制，但建議設置電平轉換電路。

最后是接口擴展排針，串接的100ohm電阻起限流保護作用。每個接口分別提供了3.3V電源和GND。

ICA HAT的PCB采用廉價的雙面板（兔子生產10片PCB只需要50RMB），需要說明的是布局。

根據一般用戶的使用習慣，數碼管并排放置于板子的上部（最為醒目的位置），按鍵放在板子的右下角（慣用左手的朋友可放在左側）。紅外收發部分和IO接口整齊排列于四周板邊以防止阻擋和方便接線。其他的如LED和蜂鳴器在板中間選擇位置放置即可。

設計好的PCB文件可導出成光繪（Artwork）和鉆孔（Drill）文件交予PCB廠商生產，國內的廠商一般也會接受Altium Designer和Protel格式的工程文件，但實際也是轉成光繪來進行生產的。廠商同時會提供免費的測試，保證電路不出現短路等情況，下圖為生產好的 PCB：

PCB生產后是器件貼片焊接，如果是機器焊接就需要提供生產鋼網用的助焊層（Solder mask）文件，和用于機器貼片的裝配層（Assembly）文件。

這里由于器件簡單量少，兔子采用手工焊接的方式。焊接時可先焊接難度較大引腳密集的貼片IC，然后焊接高度較低的貼片器件，最后焊接較高的直插器件。連接器和數碼管可于最后焊接。下圖為手工焊接完成的電路板，我們稱之為PCBA：

需要注意的是，焊接完成后需要測試電路是否短路，特別是電源的短路，然后再上電測試。否則不但可能燒壞HAT板子，還有可能損壞樹莓派主板。