עיצוב PCB מודול מחשוב פטל משלך: 5 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

אם מעולם לא שמעתם על מודול מחשוב Raspberry Pi בעבר, זהו בעצם מחשב לינוקס מיושן עם גורם הצורה מקל זיכרון RAM למחשב נייד!

עם זה אפשר לעצב לוחות מותאמים אישית משלך בהם ה- Raspberry Pi הוא רק רכיב נוסף. זה נותן לך גמישות עצומה מכיוון שהוא מאפשר לך גישה לכמות גדולה בהרבה של סיכות IO, ובאותו הזמן שאתה יכול לבחור בדיוק איזו חומרה אתה רוצה על הלוח שלך. EMMC המשולב מבטל גם את הצורך בכרטיס מיקרו SD חיצוני, מה שהופך את מודול המחשוב למושלם לעיצוב מוצרים מבוססי Raspberry Pi.

למרבה הצער, למרות שמודול המחשוב מאפשר לך לעשות את כל זה, נראה שהוא עדיין חסר מבחינת פופולריות בהשוואה לדגם A ו- B המסורתי של פטל פי. כתוצאה מכך, אין הרבה פרויקטים של חומרה קוד פתוח המבוססים על זה. ולכל מי שתרצה להתחיל בעיצוב לוחות משלו כמות המשאבים שיש לו מוגבלת למדי.

כשהתחלתי לראשונה עם מודול מחשוב ה- Raspberry Pi לפני מספר חודשים, זו הייתה בדיוק הבעיה שעומדת בפניי. אז החלטתי לעשות משהו בנידון. החלטתי לעצב PCB קוד פתוח המבוסס על מודול המחשוב, שיהיו בו כל התכונות הבסיסיות שהופכות את ה- Raspberry Pi לגדול. זה כולל מחבר מצלמה, מארח USB, פלט שמע, HDMI וכמובן כותרת GPIO התואמת ללוחות ה- Raspberry Pi הרגילים.

מטרתו של פרויקט זה היא לספק עיצוב קוד פתוח ללוח מבוסס מודול מחשוב, שכל אחד יוכל להשתמש בו כנקודת מוצא לעיצוב לוח מותאם אישית משלו. הלוח תוכנן על KiCAD, חבילת תוכנת EDA של קוד פתוח וחוצה פלטפורמות, על מנת לאפשר לכמה שיותר אנשים לנצל אותה.

כל שעליך לעשות הוא לתפוס את קבצי העיצוב, להתאים אותם לצרכים שלך ולסובב לוח מותאם אישית משלך לפרויקט שלך.

שלב 1: חלקים וכלים

כדי להתחיל עם מודול מחשוב Raspberry Pi, תזדקק לחלקים הבאים:

1 x Raspberry Pi Compute Module 3 - אני מאוד ממליץ להשיג את הגרסה הרגילה הכוללת את eMMC המשולב ולא את גרסת ה- Lite. אם אתה רוצה להשתמש בגירסת ה- Lite בפרויקט שלך, עליך לבצע מספר שינויים בעיצוב, וזה כולל הוספת מחבר לכרטיס מיקרו SD. לבסוף, בדקתי רק את הלוח עם ה- CM3 ואני לא יכול להבטיח שהוא יעבוד עם גרסת ה- CM הראשונה שיצאה בשנת 2014.

עדכון 29/1/2019: נראה כי הקרן פרסמה זה עתה את Compute Module 3+ ולא רק זאת, אלא שעכשיו היא מגיעה גם עם אפשרות ל- 8GB, 16GB או 32GB eMMC! על פי גליון הנתונים, נראה כי ה- CM3+ זהה לחשמל ל- CM3 מה שאומר שזה בעצם ירידה בהחלפה ל- CM3.

1 x לוח מחשב IO של מודול מחשב - העיצוב שלי נועד לשמש נקודת מוצא לעיצוב לוח מותאם אישית משלך על בסיס זה, לא להחליף ללוח מודול IO של מחשב. לכן, כדי להקל על חייך אני ממליץ בחום להעביר את ידיך ללוח IO ולהשתמש בזה לפיתוח לפני שעובר ללוח מותאם אישית. מלבד מתן גישה לכל סיכה אחת של ה- CM בתוספת מגוון מחברים, לוח IO נחוץ גם להבהב ה- eMMC המשולב. וזה משהו שאתה לא יכול לעשות עם הלוח שלי, אלא אם כן תעשה כמה שינויים בעיצוב קודם.

1 x כבל מצלמה אפס Raspberry Pi או מתאם מצלמת מודול מחשב - בעיצוב שלי אני משתמש במחבר מצלמה דומה מאוד לזה שמשמש את לוח IO של מודול מחשבים ו- Raspberry Pi Zero. אז בכדי לחבר מצלמה תזדקק לכבל מתאם המיועד ל- Pi Zero או ללוח מתאם המצלמה המגיע יחד עם ערכת הפיתוח של מודול מחשבים. למיטב ידיעתי, רכישת לוח המתאם בנפרד היא די יקרה. אז אם אתה אוהב אותי החלטת לקנות את ה- CM ו- IO לוח בנפרד כדי לחסוך קצת כסף, אני ממליץ לך לקבל את כבל מתאם המצלמה שמיועד ל- Pi Zero במקום זאת.

1 x מודול מצלמת Raspberry Pi - בדקתי רק את הלוח עם מודול המצלמה המקורי של 5MP ולא את גרסת 8MP החדשה יותר. אך מכיוון שהראשון נראה עובד בסדר גמור, אינני רואה סיבה שהמאוחר לא יעשה זאת מכיוון שהוא אמור להיות תואם לאחור. כך או כך, כיום ניתן למצוא את גרסת 5MP בפחות מ -5 € ב- eBay ולכן אני ממליץ לרכוש אחת.

4 x חוטי מגשר נקבה לנקבה - אתה תצטרך לפחות 4 עבור הגדרת מחבר המצלמה בלוח ה- IO, אך סביר להניח שתרצה לקבל יותר. הם אינם נחוצים ללוח המותאם אישית אך יכולים להיות שימושיים אם בכוונתך לצרף חומרה חיצונית כלשהי באמצעות כותרת GPIO.

1 x כבל HDMI - החלטתי להשתמש במחבר HDMI בגודל מלא על הלוח שלי כדי לחסל את הצורך במתאמים. כמובן, אם אתה מעדיף להשתמש במיני או אפילו במחבר מיקרו HDMI אל תהסס להתאים את העיצוב לצרכיך.

ספק כוח 1 x 5V מיקרו USB - כנראה שמטען הטלפון שלך אמור להסתדר ברוב המקרים כל עוד הוא יכול לספק 1A לפחות. זכור כי זהו רק ערך כללי, דרישות החשמל שלך למעשה תלויות בחומרה שתחליט לכלול בלוח המותאם אישית שלך.

1 x מתאם USB Ethernet - אם אתה מתכנן להתקין או לעדכן כמעט כל חבילה במערכת שלך, תצטרך לפחות גישה לאינטרנט זמנית. מתאם Ethernet 2-in-1 בתוספת רכזת USB הוא כנראה שילוב טוב מכיוון שיש לך רק יציאת USB אחת זמינה. באופן אישי אני משתמש ב- Edimax EU-4208 שעובד מחוץ לקופסה עם ה- Pi ואינו דורש כוח חיצוני, אך אין בו רכזת USB מובנית. אם אתה מעוניין לרכוש מתאם USB Ethernet כאן תוכל מצא רשימה עם כאלה שנבדקו עם ה- Raspberry Pi.

אם אתה רוצה להוסיף עוד יציאות USB ואפילו Etherent ישירות על הלוח המותאם אישית שלך, הייתי מציע לבדוק את LAN9512 של Microchip. זהו אותו שבב המשמש את דגם B המקורי של פטל פי והוא עומד לתת לך 2 יציאות USB ויציאת אתרנט אחת. לחלופין, אם אתה צריך 4 יציאות USB שקול להסתכל על בן דודו LAN9514.

1 x מחבר RAM SODIMM DDR2 - זהו כנראה המרכיב החשוב ביותר בלוח כולו וכנראה היחיד שלא ניתן להחליף בקלות. כדי לחסוך אותך מהצרות החלק שאתה צריך לקבל הוא TE CONNECTIVITY 1473005-4. הוא זמין מרוב הספקים הגדולים כולל TME, Mouser ו- Digikey, כך שלא תהיה לך בעיה למצוא אותו. עם זאת, היזהר מאוד, בדוק שוב וודא שהחלק שאתה מזמין הוא למעשה 1473005-4. אל תעשה את אותה הטעות שעשיתי וקבל את גרסת המראה, המחברים האלה אינם זולים.

לגבי שאר החלקים שאני בוחר לכלול על הלוח אתה יכול להציץ ב- BOM כדי לקבל מידע נוסף, ניסיתי לכלול קישורים לגליונות הנתונים של רובם.

ציוד הלחמה - הרכיבים הקטנים ביותר בלוח הם קבלים הניתוק 0402, אך גם ה- HDMI כמו גם המצלמה ומחברי SODIMM יכולים להיות קצת מאתגרים ללא כל סוג של הגדלה. אם יש לך ניסיון טוב בהלחמה SMD חשב שזה לא אמור להיות בעיה גדולה. כך או כך, אם יש לך גישה למיקרוסקופ אני ממליץ עליו בחום.

שלב 2: מהבהב ה- EMMC

הדבר הראשון שאתה צריך לעשות לפני שתתחיל להשתמש במודול המחשוב שלך הוא להבהב את התמונה האחרונה של Raspbian Lite ב- eMMC. התיעוד הרשמי של Raspberry Pi כתוב היטב ומתאר את כל התהליך בפירוט רב הן עבור Linux והן עבור Windows. מסיבה זו אני רק מתאר את הצעדים שעליך לנקוט בקצרה רבה ב- Linux, כך שהם יכולים לשמש אסמכתא מהירה.

קודם כל, עליך לוודא כי לוח ה- IO שלך מוגדר למצב תכנות ומודול החישוב מוכנס למחבר SODIMM. כדי להגדיר את הלוח למצב תכנות העבר את מגשר J4 למצב EN.

לאחר מכן, יהיה עליך לבנות את כלי rpiboot במערכת שלך כך שתוכל להשתמש בו כדי לקבל גישה ל- eMMC. לשם כך, אתה צריך עותק של מאגר usbboot שניתן להשיג בקלות באמצעות git כדלקמן, שיבוט git --depth = 1 https://github.com/raspberrypi/usbboot&& cd usbboot

כעת, על מנת לבנות rpiboot עליך לוודא כי הן מותקנות במערכת שלך חבילות libusb-1.0-0-dev והן יצירת חבילות. אז בהנחה שאתה נמצא במערכת הפצה מבוססת דביאן כמו הפעלה של אובונטו, sudo apt update && sudo apt להתקין libusb-1.0-0-dev make

אם אינך משתמש ב- distro מבוסס Debian שם חבילת libusb-1.0.0-dev עשוי להיות שונה, לכן הקפד למצוא כיצד היא נקראת במקרה שלך. לאחר התקנת תלות הבנייה תוכל לבנות את הבינארי rpiboot פשוט על ידי הפעלה, עשה

לאחר השלמת הבנייה הפעל rpiboot כשורש והוא יתחיל לחכות לחיבור, sudo./rpiboot

כעת חבר את לוח ה- IO למחשב שלך על ידי חיבור כבל מיקרו USB ליציאת ה- USB SLAVE שלו ולאחר מכן הפעל חשמל ליציאת POWER IN. לאחר מספר שניות ה- rpiboot אמור להיות מסוגל לזהות את מודול המחשוב ולאפשר לך גישה ל- eMMC. זה אמור לגרום להתקן חסימה חדש שמופיע תחת /dev. אתה יכול להשתמש בתוכנית fdisk כדי לעזור לך למצוא את שם המכשיר, sudo fdisk -l

דיסק /dev /sdi: 3.7 GiB, 3909091328 בתים, 7634944 מגזרים

יחידות: מגזרים של 1 * 512 = 512 בתים גודל המגזר (לוגי/פיזי): 512 בתים/512 בתים גודל I/O (מינימלי/אופטימלי): 512 בתים/512 בתים סוג תווית דיסק: dos מזהה דיסק: 0x8e3a9721

סוג זיהוי גודל התחלויות של אתחול המכשיר

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

במקרה שלי זה היה /dev /sdi מכיוון שיש לי כבר לא מעט כוננים במערכת שלי, אבל שלך בהחלט ישתנה.

לאחר שהיית בטוח שמצאת את שם המכשיר הנכון, תוכל להשתמש ב- dd כדי לצרוב את תמונת ה- Raspbian Lite ל- eMMC. לפני שתעשה זאת, וודא שאין מחיצה של eMMC שכבר מותקנת על המערכת שלך.

df -h

אם אתה מוצא כל אחד לבטל אותן כך, sudo umount /dev /sdXY

עכשיו היו זהירים במיוחד, שימוש בשם המכשיר הלא נכון עם dd עלול להרוס את המערכת שלכם ולגרום לאובדן נתונים. אל תמשיך לשלב הבא אלא אם אתה בטוח לחלוטין שאתה יודע מה אתה עושה. אם אתה זקוק למידע נוסף, עיין בתיעוד הנוגע לכך.

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

לאחר סיום פקודות ה- dd והסנכרון, תוכל לנתק את לוח ה- IO מהמחשב שלך. לבסוף, אל תשכח להעביר את מגשר J4 בחזרה למיקום DIS ומודול המחשוב שלך אמור להיות מוכן לאתחול הראשון שלו.

שלב 3: אתחול ראשון

לפני האתחול בפעם הראשונה הקפד לחבר מקלדת USB וצג HDMI ללוח ה- IO שלך. אם הכל הולך כצפוי וה- Pi שלך מסיים אתחול, הצמדתו תאפשר לך לקיים איתו אינטראקציה.

כאשר תתבקש להיכנס, השתמש ב- "pi" לשם המשתמש וב"פטל "עבור הסיסמה מכיוון שאלו הם פרטי הכניסה המוגדרים כברירת מחדל. כעת תוכל להריץ כמה פקודות כדי לוודא שהכל פועל כצפוי כפי שהיית עושה בדרך כלל בכל פטל פטל, אך אל תנסה להתקין דבר עדיין מכיוון שעדיין אין לך חיבור לאינטרנט.

דבר חשוב שעליך לעשות לפני כיבוי ה- Pi שלך הוא הפעלת SSH, כך שתוכל להתחבר אליו מהמחשב שלך לאחר האתחול הבא. אתה יכול לעשות זאת בקלות רבה באמצעות הפקודה raspi-config, sudo raspi-config

כדי לאפשר SSH עבור אל אפשרויות ממשק, בחר SSH, בחר YES, OK ו- Finish. במקרה שאתה נשאל אם אתה רוצה לאתחל את הדחייה. לאחר שתסיים לכבות את ה- Pi שלך ולאחר שהוא מסיים הסר את החשמל.

כיבוי sudo -h עכשיו

לאחר מכן, עליך ליצור חיבור לאינטרנט באמצעות מתאם USB Ethernet שכבר אמור להיות לך. אם המתאם שלך כולל גם רכזת USB תוכל להשתמש בו כדי לחבר את המקלדת אם תרצה, אחרת תוכל פשוט להתחבר ל- Pi שלך באמצעות SSH. כך או כך, שמור על צג HDMI מחובר לפחות לעת עתה, כדי לוודא שתהליך האתחול מסתיים כצפוי.

כמו כן, לקראת הסוף היא אמורה להראות לך גם את כתובת ה- IP שקיבל הפי שלך משרת ה- DHCP. נסה להשתמש בזה כדי להתחבר ל- Pi שלך באמצעות SSH.

ssh pi@

לאחר חיבור מוצלח ל- Pi שלך באמצעות SSH, אינך צריך עוד את הצג והמקלדת מחוברים, אל תהסס לנתק אותם אם תרצה. בשלב זה אמורה להיות לך גם גישה לאינטרנט מה- Pi שלך, אתה יכול לנסות לצלצל משהו כמו google.com כדי לאמת אותו. לאחר שתוודא שיש לך גישה לאינטרנט, מומלץ לעדכן את המערכת על ידי הפעלה, עדכון sudo apt && sudo apt upgrade

שלב 4: הגדרת המצלמה

ההבדל הגדול ביותר בין לוח Raspberry Pi רגיל למודול מחשוב הוא שבמקרה של המאוחר יותר מלבד הפעלת המצלמה באמצעות raspi-config, אתה צריך גם קובץ עץ בהתקנה מותאם אישית.

תוכל למצוא מידע נוסף בנוגע לתצורת מודול המחשוב לשימוש עם מצלמה בתיעוד. אך באופן כללי, מחבר המצלמה בין האחרים כולל גם 4 סיכות שליטה, אותן יש לחבר ל- 4 סיכות GPIO במודול המחשוב, וזה תלוי בך להחליט אילו מהם בעת עיצוב הלוח המותאם אישית שלך.

במקרה שלי, בעת עיצוב הלוח אני בוחר ב- CD1_SDA לעבור ל- GPIO28, CD1_SCL ל- GPIO29, CAM1_IO1 ל- GPIO30 ו- CAM1_IO0 ל- GPIO31. אני בוחר את סיכות ה- GPIO הספציפיות האלה מכיוון שרציתי שיהיה לי כותרת GPIO של 40 פינים בלוח שלי, שגם שומרת על תאימות למחבר GPIO של לוחות ה- Raspberry Pi הרגילים. ומסיבה זו הייתי צריך לוודא שסיכות GPIO בהן אני משתמש עבור המצלמה לא יופיעו גם בכותרת GPIO.

אז, אלא אם תחליט לבצע שינויים בחיווט של מחבר המצלמה, אתה צריך /boot/dt-blob.bin שאומר ל- Pi שלך להגדיר את GPIO28-31 כמתואר לעיל. וכדי ליצור קובץ dt-blob.bin, שהוא קובץ בינארי, עליך להרכיב dt-blob.dts. כדי להקל על העניינים, אני אספק dt-blob.dts משלי שתוכל להשתמש בהם ואז תוכל להתאים אותם לצרכים שלך אם תצטרך.

כדי להרכיב את קובץ עץ ההתקן השתמש בקומפיילר עץ ההתקן כדלקמן, dtc -I dts -O dtb -o dt -blob.bin dt -blob.dts

אני לא בטוח למה אבל האמור לעיל אמור לגרום לא מעט אזהרות, אבל כל עוד dt-blob.bin נוצר בהצלחה הכל אמור להיות תקין. כעת, העבר את dt-blob.bin שיצרת זה עתה /אתחול על ידי ביצוע, sudo mv dt-blob.bin /boot/dt-blob.bin

האמור לעיל כנראה יתן לך את האזהרה הבאה, mv: נכשל בשימור הבעלות על '/boot/dt-blob.bin': הפעולה אינה מותרת

זה רק mv שמתלונן שהוא לא יכול לשמר את בעלות הקבצים מכיוון ש /boot היא מחיצת FAT שצפויה לצפות. אולי שמתם לב ש /boot /dt-blob.bin אינו קיים כברירת מחדל, זאת מכיוון שהפי משתמש במקום בעץ מכשירים מובנה. הוספת הפנימית /האתחול שלך משתרעת על פני המבנה המובנה ומאפשרת לך להגדיר את הפונקציה של הסיכה שלה כמו שאתה אוהב. תוכל למצוא מידע נוסף על עץ המכשיר בתיעוד.

לאחר שתעשה זאת עליך להפעיל את המצלמה, sudo raspi-config

עבור אל אפשרויות ממשק, בחר מצלמה, בחר כן, אישור וסיים. במקרה שאתה נשאל אם אתה רוצה לאתחל את הדחייה. עכשיו, כבה את ה- Pi והסר את החשמל.

לאחר הסרת החשמל מלוח ה- IO, באמצעות 4 חוטי מגשר נקבה לנקבה חבר את הפינים עבור GPIO28 ל- CD1_SDA, GPIO29 ל- CD1_SCL, GPIO30 ל- CAM1_IO1 ו- GPIO31 ל- CAM1_IO0. לבסוף, חבר את מודול המצלמה שלך למחבר CAM1 באמצעות לוח מתאם המצלמה או כבל מצלמה המיועד ל- Raspberry Pi Zero והפעל חשמל.

אם הכל עבד כצפוי לאחר מגפי ה- Pi, תוכל להשתמש במצלמה. כדי לנסות לצלם לאחר חיבור ל- Pi שלך באמצעות הפעלת SSH, raspistill -o test.jpg

אם הפקודה מסתיימת ללא שגיאות ויוצרת test-j.webp

sftp pi@

sftp> get test.jpg sftp> יציאה

שלב 5: מעבר מלוח ה- IO ללוח PCB מותאם אישית

כעת, לאחר שתסיים את כל התצורה הבסיסית, תוכל לעבור לעיצוב לוח מותאם אישית משלך על בסיס מודול מחשוב. מכיוון שזה יהיה הפרויקט הראשון שלך, אני ממליץ לך מאוד לתפוס את העיצוב שלי ולהרחיב אותו לכלול חומרה נוספת שאתה אוהב.

בחלק האחורי של הלוח יש הרבה מקום להוספת רכיבים משלך ולפרויקטים קטנים יחסית סביר להניח שלא תצטרך אפילו להגדיל את ממדי הלוח. כמו כן, במקרה שמדובר בפרויקט עצמאי ואינך צריך כותרת GPIO פיזית על הלוח שלך, תוכל להיפטר ממנו בקלות ולחסוך מעט מקום בצד העליון של הלוח הלוח. כותרת GPIO היא גם הרכיב היחיד המנותב דרך השכבה הפנימית השנייה והסרתו משחררת אותו לחלוטין.

עלי לציין שהרכבתי ובדקתי בעצמי את אחד הלוחות בעצמי, ואמתתי כי הכל כולל המצלמה ויציאת ה- HDMI פועל כצפוי. לכן, כל עוד אתה לא מבצע שינויים עצומים באופן שבו ניתבתי את כל מה שלא תהיה לך בעיה.

בכל מקרה אם עליך לבצע כמה שינויי פריסה גדולים, זכור שרוב העקבות שעוברות למחברי HDMI ומצלמה מנותבות כ- 100 זוגות דיפרנציאל אוהם. המשמעות היא שעליך לקחת זאת בחשבון למקרה שתצטרך להעביר אותם סביב הלוח. כמו כן, המשמעות היא שגם אם תוריד את כותרת GPIO מהעיצוב שלך, מה שאומר שכעת השכבות הפנימיות לא יכילו עקבות, אתה עדיין צריך PCB בעל 4 שכבות על מנת להשיג עכבה דיפרנציאלית הקרובה ל -100 אוהם. אם אתה לא מתכוון להשתמש ביציאת HDMI ובמצלמה, אתה אמור להיות מסוגל ללכת עם לוח דו שכבתי על ידי היפטרות מהם ולצמצם מעט את עלות הלוחות.

רק לעיון, הלוחות הוזמנו מ- ALLPCB בעובי כולל של 1.6 מ מ ולא ביקשתי בקרת עכבה, מכיוון שכנראה זה יעלה את העלות לא מעט ורציתי לבדוק אם זה ישנה. בחרתי גם בגימור זהב טבילה כדי להקל על הלחמת הידיים של המחברים מכיוון שהוא מבטיח שכל הרפידות יהיו נוחות ושטוחות.