Tutto il materiale, dove non diversamente specificato, è coperto dalla licenza Creative Commons Attribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo.
PROGETTO
Scheda di espansione I/O per Raspberry PI basata su Gertboard
AUTORI
Walter Lain
CARATTERISTICHE
Questo progetto è nato perchè non riuscivo ad acquistare una Gertboard
originale da Element14. I problemi erano che il kit su Element14
continuava ad andare in esaurimento, e che a quanto pare Element14 non ha voglia di vendere materiale in Italia a chi non ha la partita IVA.
Mentre copiavo lo schema, ho pensato che magari avrei potuto rendere la scheda un po' diversa per adattarla meglio alle mie esigenze. Quindi, mentre all'inizio doveva essere un
perfetto clone della Gertboard, ne è uscita fuori una versione migliorata (almeno secondo il mio punto di vista).
Le specifiche sono quindi le stesse dalla Gertboard, con queste differenze:
Tutti i componenti sono PTH, quindi l'assemblaggio dovrebbe risultare piò facile;
L'integrato L6203 è posizionato sul bordo scheda con lo slug orientato
verso l'esterno, quindi è possibile applicarvi un dissipatore anche di dimensioni importanti (ho provato con un Aavid 5903). Inoltre, il resistore di shunt è stato cambiato con un
modello di grosse dimensioni da 5W, rendendo possibile l'utilizzo del driver fino al limite dei 4A anche con valori di shunt maggiori di 0.1Ω. Per lo stesso motivo le piste sono di
state dimensionate al meglio nei limiti dello spazio disponibile;
L'ADC a due canali MCP3002 è stato sostituito
con l'equivalente a 8 canali (MCP3008). È stato anche
aggiunto un ponticello per connettere la Vref del convertitore (questo pin non era presente nell'MCP3002) all'alimentazione 3V3 della scheda o ad un riferimento esterno;
Il circuito di regolazione 3V3 è stato migliorato aggiungendo un ponte raddrizzatore da 2A e un varistore per proteggere da picchi di energia. Il jack di alimentazione
è stato sostituito con una morsettiera a 2 vie passo 5.08mm (ho utilizzato un modello Phoenix MSTBVA, ma non è obbligatorio),
e lasciato lo spazio per posizionare un dissipatore tipo Aavid 5772 sul regolatore lineare. Il ponte, il varistore e il condensatore di ingresso sono condivisi con il regolatore ausiliario;
Il regolatore ausiliario, che nella Gertboard non viene utilizzato per problemi di surriscaldamento, è stato sostituito con una configurazione switching basata sull'integrato
MC34167 (package TO220-5). Il componente ha attorno lo spazio necessario
per il montaggio di un dissipatore Aavid 5772 internamente alla scheda, oppure un modello di dimensioni maggiori (anche in questo caso ho provato con un Aavid 5903) esternamente. Il circuito
può essere regolato dai 5 ai 20V (a seconda della tensione in ingresso) cambiando un singolo resistore (o utilizzando un resistore di valore fisso più un trimmerr multigiro), ed
è stato dimensionato per fornire oltre 2A, con una corrente massima effettivamente utilizzabile pari a 2A meno l'assorbimento della circuiteria a 3V3 (questo limite è dato
dalle specifiche del ponte raddrizzatore);
Il driver ULN2803AN ha tutti e 8 i canali disponibili, ed è stato aggiunto un ponticello
per permettere la sua sostituzione con un driver high side come il
TD62783AP (è sufficiente cambiare l'integrato e capovolgere il ponticello). Questo permette di scegliere tra pilotaggio source e sink quando necessario
(sfortunatamente non è possibile avere entrambi contemporaneamente);
Ci sono 4 pulsanti invece di 3;
I connettori di ingresso e uscita degli I/O bufferizzati hanno tutti un pull-up da 100K. Questo evita che i buffer si trovino in stati instabili quando non sono utilizzati;
I connettori sono stati aggiornati per fornire tutti i pin delle nuove Raspberry Pi B+ / Raspberry Pi 2;
La ID EEPROM prevista dalle versioni B+ / 2 è presente sulla scheda, con un jumper per poterla proteggere dalla scrittura o abilitarla;
I pin di I/O 0, 1 e 21 sono stati rinominati come 2, 3 e 27 per rispettare la revisione 2 delle schede PI. Il pin 27 è stato spostato alla fine di J2 per mantenere l'ordine numerico.
Questa è una delle poche cose da tenere a mente quando si utilizzano schemi o software basati sulla Gertboard. Le altre sono il protocollo di comunicazione dell'MCP3008 (lievemente diverso da
quello dell'MCP3002) e alcuni connettori spostati o cambiati di forma/dimensione.
La scheda ha dimensioni esattamente pari a 150x100mm, dato che questo rappresenta un limite di prezzo/dimensione per i produttori di piccoli lotti di PCB (come ad esempio
Itead o
Seed).
DOCUMENTI
Tutti i files necessari per la produzione sono già compressi in questo file zip, quindi se volete
potete semplicemente scaricarlo e mandarlo in produzione. Questa è la BOM completa con i codici d'ordine per
Mouser, con le quantità esatte per una singola scheda (o il più vicino possibile).
Infine, questo è il foglio di calcolo dei valori del circuito ausiliario, in caso
vogliate cambiare qualcosa.
Software di collaudo adattato dalla versione Gertboard. Il software controlla la revisione della
scheda PI in modo da indirizzare i pin corretti. Come per la versione Gertboard, non fa nulla di realmente utile, è pensato solo per essere utilizzato per verificare l'assenza di problemi sulla scheda
appena assemblata e come base di partenza per creare programmi più utili a comandare la scheda o circuiti specifici basati su alcune sue parti. Con la versione 2.0 della scheda, è stato modificato
il software per renderlo compatibile con la Raspberry Pi 2. Leggere il file README contenuto nell'archivio per i dettagli.
Documenti in formato PDF Schema elettricoPCB lato ramePCB lato componentiSerigrafia lato componentiMappa foratureVersionamento componenti
La scheda può essere utilizzata in qualunque modo nell'ambito della licenza CC-BY-NC-SA. Tuttavia, se avete intenzione di utilizzarla per qualsiasi cosa al di fuori
di una scheda di prototipaggio hobbistica, vi suggerisco di verificarla con molta attenzione. Io ho eseguito alcuni test, ma certamente non abbastanza per una qualifica di prodotto completa.
Per favore non chiedetemi se posso vendere kit o parti o qualunque altra cosa. La risposta è che non sarebbe conveniente per voi, dato che dovrei chiedere più di 200€
per scheda assemblata considerato il tempo di montaggio e il costo dei componenti. Se volete una scheda già assemblata o un kit di montaggio potete andare da Element14 e acquistare la Gertboard, oppure
chiedere a qualcuno che conoscete di costruirvela lui, oppure scegliere una delle altre schede di espansione reperibili per la PI.
Ho verificato la circuiteria dello switcher con una Vin tra 8Vdc e 24Vdc, e sono riuscito ad ottenere circa 21V sul connettore Vx con 24V sulla morsettiera. Con Vx=12V e un carico di circa 1.1A per 24h,
il dissipatore Aavid 5772 resta sotto i 70°C con una temperatura ambiente di 19°C (ho messo del grasso termoconduttivo tra il dissipatore e la slug). Questo indica che il sistema dovrebbe poter pilotare
oltre 15W senza necessità di un dissipatore più grande.
Inoltre, la stabilità di regolazione è decisamente buona, con una uscita pari a 12.027V a vuoto e 11.975V con 1.1A di carico.
