Raspberry Pi
Scheda Demo Board

ultimo aggiornamento 20 dicembre 2012

EasyEDA: Un servizio per il disegno di circuiti e la loro simulazione, progettazione e produzione di PCB.
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La Demo Board, permette di compiere esperimenti d’interfacciamento con la scheda Raspberry Pi: Il collegamento con quest’ultima è effettuato con un cavo piatto a 26 poli che termina ad entrambi i lati con un connettore 13+13pin.
Il connettore della scheda Raspberry Pi che si utilizzerà, è denominato P1, su di esso sono presenti oltre ai pin GPIO (General Purpose I/O), pin per accedere tramite interfacce SPI, I2C, UART seriale e quelli di alimentazione.   La nostra scheda demo, utilizzerà solamente otto pin I/O, i due pin di alimentazione a 3,3V e 5V. e il pin di massa.
La scheda dispone di:

Connettore verso la Raspberry PI
• Morsettiere per connessione: alimentazione esterna, alle 8 uscite, al relè.
• Circuito di alimentazione esterna con batteria tramite regolatore LM7805
• Interfaccia di uscita delle 8 porte I/O tramite ULN2803A
• Barra led per segnalazione attivazione uscite e alimentazione
• Tre pulsanti connessi alle porte I/O
• Un relè


In edicola nel mese di Dicembre 2012 potete trovare il numero 330 della rivista Fare Elettronica con l'articolo "Demo board per Raspberry PI" che descrive la costruzione di questa scheda.

Descrizione del circuito

Passiamo adesso alla descrizione del circuito della Demo Board visibile sotto, mentre a lato di quest'ultimo è riportato l’elenco dei componenti utilizzati.
Il circuito può essere visto come singole sezioni:

Sezione Connettore
Sezione alimentazione
Sezione interfaccia I/O
Sezione uscita relè

 

Elenco componenti

C1 100 nF multistrato
C2 10μF elettrolitico verticale
R1..R10 330 Ω ¼ W
R11,12,13 10 kΩ ¼ W
R13,14,15 1 kΩ ¼ W
D1 Diodo 1N4004
BL1 Display LED 10 grafico tipo SB1K1Y8G ARKLED+ zoccolo 20 pin SIL
IC1 ULN2803 + zoccolo 18 pi SIL
IC2 LM 7805
P1 Connettore maschio per connettori a perforazione d’isolante 26 poli
J1,2,3,4 Pinhead maschio 1x3 + ponticello
J5 Pinhead maschio 1x2 + ponticello
RL1 Relè 5 V tipo SYSY1K-S-105L o equivalente
S1,2,3 Minipulsante 2 pin da circuito stampato (basso profilo)
X1,2,3,4,5,6 Morsettiera due poli a vite passo 2.5 mm
X7 Morsettiera tre poli a vite passo 2.5 mm


File formato EAGLE


File formato PDF

 

Sezione Connettore

Il connettore permette il collegamento tra la scheda Raspberry Pi e la Demo Board.

 Connettore P1 scheda Raspberry

Il connettore della scheda Raspberry Pi è formato da 26 pin a cui fanno capo le porte GPIO del processore ARM Broadcom BCM-2835. 

 

Numero Pin

Nome del Pin

Note Hardware

Funzione alternativa

Altre funzioni alternative

P1-02

5V0

Fornita tramite fusibile

 

 

P1-04

DNC

Non connettere

 

 

P1-06

GND

 

 

 

P1-08

GPIO 14

Boot to Alt 0 ->

UART0_TXD

ALT5 = UART1_TXD

P1-10

GPIO 15

Boot to Alt 0 ->

UART0_RXD

ALT5 = UART1_RXD

P1-12

GPIO 18

 

 

ALT4 SPI1_CE0_N ALT5 = PWM0

P1-14

DNC

Non connettere

 

 

P1-16

GPIO23

 

 

ALT3 = SD1_CMD ALT4 = ARM_RTCK

P1-18

GPIO24

 

 

ALT3 = SD1_DATA0 ALT4 = ARM_TDO

P1-20

DNC

Non connettere

 

 

P1-22

GPIO25

 

 

ALT4 = ARM_TCK

P1-24

GPIO08

 

SPI0_CE0_N

 

P1-26

GPIO07

 

SPI0_CE1_N

 

P1-01

3.3 V

50 mA max current draw

 

 

P1-03

GPIO 0

Resistenza 1K8 pull up

I2C0_SDA

I2C0_SDA

P1-05

GPIO 1

Resistenza 1K8 pull up

I2C0_SCL

I2C0_SCL

P1-07

GPIO 4

 

 

GPCLK0

P1-09

DNC

Non connettere

 

 

P1-11

GPIO17

 

 

ALT3 = UART0_RTS, ALT5 = UART1_RTS

P1-13

GPIO21

 

PCM_DIN

ALT5 = GPCLK1

P1-15

GPIO22

 

 

ALT3 = SD1_CLK ALT4 = ARM_TRST

P1-17

DNC

Non connettere

 

 

P1-19

GPIO10

 

SPI0_MOSI

 

P1-21

GPIO9

 

SPI0_MISO

 

P1-23

GPIO11

 

SPI0_SCLK

 

P1-25

DNC

Non connettere

 

 

Connettore demo Board

Non tutti i pin della Raspberry Pi sono collegati, i pin di I/O collegati sono solamente 8, di questi, 3 hanno la doppia funzione di Input e Output mentre gli altri sono solamente di Output. Sono poi presenti i tre pin dell’alimentazione: +3,3V, +5V e GND.

Sezione alimentazione

La sezione dell’alimentazione  è incentrata sull’ormai famoso integrato LM7805, un regolatore di tensione fissa con uscita di +5V-1A.  La tensione in ingresso è fornita tramite il connettore X1, dopo il quale si trova il diodo D1 tipo 1N4004 che protegge il circuito da un’eventuale inversione di polarità.  Sono poi presenti alcuni condensatori di filtraggio, il diodo led BL1-10 segnala la presenza dell’alimentazione.   Il Jumper J4 permette di scegliere la fonte di alimentazione che può essere esterna o derivata dalla scheda Raspberry Pi.   L’accensione del diodo BL1-9 segnala quando la scheda è connessa alla Raspberry Pi e che questa è alimentata.

 

LM 7805 Regolatore di tensione

Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

 1N4004 - Diodo general purpose 50V - 1A

Piedinatura Datasheet Foto

Sezione interfaccia I/O

La sezione interfaccia si occupa di interfacciare i segnali da e per la scheda Raspberry Pi.   L’integrato processore SoC (System-on-a-Chip) della Broadcom utilizzato sulla scheda Raspberry Pi è basato su tecnologia CMOS e pertanto i pin di uscita operano su livelli logici 3.3 V.   Se questo può andar bene per l'interfacciamento con altri integrati di tipo CMOS è molto meglio lavorare con integrati di tipo TTL che operano a livelli logici 5 V.   Serve quindi un circuito per convertire i segnali digitali CMOS (3,3 V) a livelli logici TTL (5 V).   L’integrato scelto il tipo ULN2803A, che è molto versatile e con parametri di funzionamento ideali per la nostra applicazione.
Questo integrato contiene al suo interno 8 circuiti Darlington è può quindi convertire le 8 linee CMOS del Raspberry Pi a livelli logici TTL. 5V

Circuito interno di uno degli 8 Darlington dell’integrato ULN2803A

Le uscite di questo integrato sono chiamate “open collector” per cui quando i darlingtons sono attivati, permettono il passaggio della corrente verso il pin di massa. L’integrato può essere alimentato sia dalla stessa Raspberry Pi che dal regolatore presente sulla scheda.


 

ULN2803 - Octal High Voltage High Current Darlington Transistor arrays

Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

L’alimentazione è fornita tramite i due pin: 10 per i +5 V, 9 per GND, ed è possibile pilotare carichi sino a 500 mA.   Nel caso di alimentazione tramite la Raspberry Pi, si ricorda che è presente un fusibile SMD da 750mA che scatterà se si preleverà più corrente dalla presa di alimentazione.   Le uscite dell’integrato sono connesse sia ai led presenti nella barra a led, sia alle morsettiere presenti sulla scheda.   Il modello della barra led scelto è prodotto dall’ARKLED riporta la sigla SB1K1Y8G ed ha la particolarità di avere, a differenza dei tipi standard in cui tutti i dieci led sono dello stesso colore, 8 led di colore verde, uno di colore arancio e uno rosso.  In questo modo si è potuto differenziare le varie segnalazioni come riportato nella Tabella

Funzione di segnalazione della barra a led.

Colore led

Funzione

Led Rosso

 Alimentazione +5V da regolatore IC2

Led Arancio

 Alimentazione da Raspberry Pi

Led verde

 Attivazione uscita porta IC1

Resta inteso che è possibile utilizzare un modello di barra led standard, attualmente ne esistono con led di vari colori: rossi, verdi, blu.
Ogni led è protetto da una resistenza limitatrice, il suo valore è stato calcolato considerando la tensione di alimentazione del led di 5 V, una caduta di tensione che per il colore rosso è di 1,8 V e una corrente che attraversa il led di 10 mA da cui il valore della resistenza di 330 Ώ.

Oltre alle uscite sono presenti 3 pulsanti NA utilizzati come INGRESSI, questi possono essere connessi alle porte di I/O della Raspberry Pi tramite tre Jumper J1-J2-J3 che li sconnettono dalle porte di IC1.
Poiché le porte GPIO della Raspberry Pi non sono protette con un buffer, sono presenti delle resistenze (R14-15-16) da un 1kΏ tra l'interruttore e il pin GPIO come precauzione per evitare danni se la porta GPIO è accidentalmente, impostata come uscita.  I tre pulsanti sono collegati alla linea GND in modo, che quando è premuto, il circuito è completato tra il GPIO pin e GND.   Completano il circuito, le tre resistenze di pull-up (R11-12-13) da valore di 10KΏ.


Dimensioni e piedinatura della barra Led

Sezione relè

Sulla scheda è presente un piccolo relè tipo SYSY1K-S-105L che può essere attivato inserendo il jumper J5, in questo modo l’uscita 7 dell’integrato IC1 sarà collegata alla bobina e il relè potrà essere attivato.  I contatti del relè: Comune, Normale Aperto e Normale Chiuso sono presenti sulla morsettiera X7 della scheda.


Schema elettrico della sezione relè


Dimensioni e piedinatura del relè

Costruzione della scheda

Per la realizzazione della scheda è previsto l’uso di un circuito stampato.  Si dovrà quindi scaricare il PDF che riporta la traccia in scala 1:1. oppure realizzarne uno proprio elaborando i file per il programma EAGLE con cui ognuno potrà adattare il circuito per i propri utilizzi. Per la sua realizzazione si utilizzerà una basetta in vetronite (monofaccia) di dimensioni 89x55mm circa, il metodo potrà essere quello della fotoincisione o del trasferimento termico utilizzando i cosiddetti fogli blu (PRESS-N-PELL)


Circuito stampato

Una volta inciso il rame, si verificherà in controluce o mediante l’utilizzo di un multimetro, che non vi siano cortocircuiti soprattutto tra le piste più vicine (zona connettore). Si passerà quindi alla foratura della stessa, utilizzando:
• Punta da 0,8 mm per i fori delle resistenze, condensatori, zoccoli integrato e barra led, ponticelli, relè.
• Punta da 1 mm per connettori, morsettiere, integrato regolatore, diodo, jumper
• Punta da 3,5 mm fori di fissaggio stampato e integrato regolatore.
Quindi si disporranno e salderanno i componenti seguendo lo schema riportato a lato

Per la saldatura si utilizzerà un piccolo saldatore a punta fine, della potenza di circa 25 – 30 W.


Piano di montaggio dei componenti

Fasi di montaggio della scheda

Inizio del montaggio con saldatura dei ponticelli

Saldatura delle resistenze e del diodo

Saldatura dei due zoccoli, uno per l'integrato e uno per la barra a led.

Saldatura dei tre pulsanti miniatura

Integrato 7805 e dato di fissaggio alla scheda

Piegatura preliminare dei pin dell'inegrato per il montaggio sulla scheda

Saldatura dell'integrato 7805 sulla scheda e fissaggio con il dado e bullone.

Saldatura del connettore 26pin, delle morsettiere di uscita e dei condensatori

saldatura di tutti i jumper di configurazione

Saldatura del relè , inserimento dell'inegrato e della barra led sui rispettivi zoccoli

Realizzazione del cavo

Per il collegamento della scheda Raspberry Pi con la Demo Board, occorre realizzare un cavo di collegamento. I componenti necessari sono: 2 connettori femmina volanti flat-cable a 26 poli e uno spezzone di cavo piatto flat cable 26 poli di circa 20-30 cm.     La sua realizzazione non è complessa e l’unico attrezzo necessario è rappresentato da una morsa da banco che permette di “chiudere” in modo parallelo le due parti che formano il connettore facendo in modo che i pin possano perforare la guaina del cavo.     Nel montaggio occorre prestare attenzione affinché il connettore più esterno del cavo colorato di rosso sia posto in corrispondenza del simbolo a forma di triangolo presente sul connettore che corrisponde al Pin 1, a lavoro finito il cavo dovrà i presentarsi come la foto sotto


 Posizione della tacca di riferimento.

Componenti cavo di collegamento


 Cavo collegamento a fine montaggio

Descrizione Jumper della scheda

Prima del collegamento della scheda, occorre predisporre i vari jumper presenti sulla scheda.

J1- Pulsante S1, J2 - Pulsante S2, J3  -  Pulsante S3
Nella foto i pulsanti sono disabilitati

 

J4  Scelta della fonte di alimentazione
nella foto la tensione è fornita dal regolatore - alimentazione esterna.
J5  Abilitazione relè
nella foto il relè è disabilitato

Collaudo e collegamento della scheda

Terminato il montaggio e prima di collegarlo alla scheda Raspberry è necessario procedere a un attento controllo, visivo o meglio mediante un multimetro, verificando che non siano presenti dei cortocircuiti tra le piste.
Quindi utilizzando il cavo piatto si collegheranno le due schede, per quanto riguarda l'orientamento del connettore sulla Raspberry occorra inserirlo senza sforzare troppo e facendo attenzione alla tacca di riferimento.
A questo punto si potrà alimentare  la scheda Raspberry dopo averla ovviamente collegata alla tastiera, monitor e alimentatore.
Dopodiché si potrà caricare il programma di test.


Collegamento delle schede

Alcuni dettagli della scheda

Connettore 26pin per la connessione con la scheda Rasberry Pi

Sezione alimentatore con regolatore LM7805, sono inoltre visibili i tre pulsanti con funzione di input digitale, il loro utilizzo è stabilito dai tre jumper con i ponticelli blu.

Con i ponticelli in questa posizione i pulsanti sono disabilitati

Con i ponticelli in questa posizione i pulsanti sono abilitati

Dettaglio del jumper per la scelta della fonte di alimentazione dei circuiti. I +5V possono essere forniti dal regolatore presente sulla scheda oppure dalla scheda Raspberry. Con il ponticello nella posizione della foto l'alimentazione è tramite il regolatore

Dettaglio zona relè, con il jumper nella posizione della foto il relè è disattivato

Dettaglio zona relè, con il jumper nella posizione della foto il relè è attivato

Dettaglio della barra led

Integrato per l'interfacciamento della scheda Raspberry con la barra led e la morsettiera esterna.

Morsettiera per il collegamento di dispositivi esterni

Foto di un primo prototipo della scheda

 

Elenco revisioni
20/12/2012 Aggiornato pagina
13/10/2012 Inserito foto di dettaglio e delle fasi di montaggio della scheda
22/09/2012 Inserito foto scheda definitiva e filmati di presentazione
17/08/2012 Aggiornato pagina
07/08/2012 Emissione preliminare