ART-PI 扩展板 Sense HAT

基本介绍

ART-PI Sense HAT (Hardware Attached on Top) 是 ART-PI 开发板适用的专感器扩展板，可以用于开发基于显示阵列和传感器的产品原型。

设计目的

传感器配置兼容 树莓派Sense HAT，工程将尝试完整移植树莓派官方的 Sense HAT 驱动库 以提供用户在ART-PI上实践 树莓派官方SenseHat实验 和 Astro PI 两个太空实验 的可能。

介绍一下Sense HAT的由来

树莓派基金会专为英国 ESA 航天员 Tim Peake 首次进入国际太空站的任务而打造了一片传感器实验扩展板，板子的名称叫：Sense HAT，实验项目叫作：AstroPi。

ART-PI Sense HAT的器件组成

• • • 8x8 RGB 全彩阵列(NeoMarix) 显示
    • 迷你摇杆(Joystick) 方向操控
    • 按键(Button) 点触操控 （树莓派版本无此部件，但增加按键后可以设计出更多有趣的实验）
    • 陀螺仪(Gyroscope) 倾斜检测
    • 加速度计(Accelerometer) 运动速度检测
    • 地磁传感器(Magnetometer) 指南针
    • 温度传感器(Temperature) 温度检测
    • 湿度传感器(Humidity) 湿度检测
    • 气压传感器(Barometric pressure) 高度检测

工程开发

进度

• • • ✅ 原理图绘制
    • ✅ PCB绘制
    • ✅ PCB打样
    • ✅ 元件采购
    • ✅ 钢网建模
    • ✅ LED排列框架建模
    • ✅ PLA打印钢网模型
    • ✅ PLA打印LED排列框架
    • ✅ PCB焊接
    • ✅ 阵列测试
    • ✅ 五向按键测试
    • ✅ 传感器测试
    • ✅ 提供实验用工程框架

编程参考

Sense HAT上的元件连接至单片机的特定引脚，使用以下引脚进行编程控制：(Pin - 别名）

附件工程框架说明

• • • 附件提供了STM32 CUBE IDE的工程框架
    • 可以在CUBE IDE里打开，也可以在CUBE MX里打开
    • 扩展板所有的器件都已经配置好引脚。
    • WS2812使用PWM+DMA方式驱动，TIM5定时器CH1通道
    • 9轴传感器使用了硬件SPI
    • 温湿度和气压仪没有使用软I2C
    • 软I2C通信参考此文：https://my.oschina.net/u/4367893/blog/3839277

工程配置

PCB迭代

• • • V1.1 - 增加SHT30周围槽孔，避免PCB导热影响传感器温度测试
    • V1.2 - PCB反面增加引脚功能丝印，方便通过杜邦线调试测试
    • V1.3 - 增加USB补电接口，如果LED供电不足可以使用

新尝试的PCB技巧

介绍

由于PCB有大量焊盘和众多需要排列整齐的元件，我尝试了用3D打印机打印了钢塑料网和一个用于排列LED的框架作为辅助工具。附件里附上了这两件工具的模型文件和打印文件。  

钢网是在一片网上面把焊盘位留出来表现为“洞”，把锡膏用刮片刮到洞里，然后把钢网拿走就留下了锡。自己用针铜挤锡挤不出很小的点，很容易挤多。钢网就没这个问题。如果真的是金属做的网，可以直接用热风枪把锡吹化变成球留在焊盘上，这就叫植锡。

框架和钢网有点象，有一些LED大小的洞。把LED放在洞里就能整齐排列了。一次性把排列整齐的LED放到PCB上，用拆焊台把锡膏熔化了回流焊。

我使用的工具为Blender，在Blender里模型导出STL后，1mm(毫米)或1m(米)单位会对应3D打印机的1mm，Cura切片软件会自动识别。为了编辑方便，我在Blender里习惯使用m为单位（Blender显示辅助网格以0.1m为单位）。

导出文件准备

工程的PCB文件里，有一个钢网和框架的文件。这个文件是普通的打板PCB删除不必要丝印，导线，外框后获得的。

钢网和框架

在立创EDA里使用导出工具，分别导出顶层焊盘和丝印层为SVG文件。事先量好焊盘的实际尺寸为63.5x38.5mm，把SVG导入Blender即为顶层的钢网。为了方便还原真实尺寸，我在Sketch里为导出的SVG添加了一个外框，把尺寸变成了65mm x 40mm和40mm x 40mm（Blender精度设置为0.01所以数值放大100倍）丝印我额外处理了，把丝印方框都闭合成正方形。

这里仅使用钢网做例子，框架的做法和钢网完全一致。把上一步做好的SVG文件导入Blender，设置宽高有65 x 40m(打印出来会是65mm x 40mm)。

然后把焊盘扩展成物体，5mm高，把外框扩展0.4mm高。布尔运算，外框减去焊盘，就得到了一个厚度为0.4mm的网。

因为右侧传感器的焊盘实在太小了，我决定分开焊接，所以实际打印的钢网我去掉了右侧三个传感器部分。实际打印出来的钢网和框架，框架里我拼好了准备焊接的LED：

刮完锡的样子

把框架排列好的LED放上PCB，一起焊接。框架下面两边的电容电阻已经放好，被挡住了。板子上糊糊的东西是助焊膏。

焊接完后洗板洗完，非常干净，没有多余的锡。

上电测试一下元件，传感器还没测试，LED和按钮都很成功，没有虚焊。

功能器件选型

8x8 RGB 全彩阵列

• • • 型号：WS2812B-Mini
    • 品牌：华彩威 WorldSemi
    • 编号：C527089
    • 封装：SMD, 3.5 x 3.5mm
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

迷你摇杆

• • • 型号：TM-4175-B-A
    • 品牌：XKB Connectivity(中国星坤)
    • 编号：C465995
    • 封装：SMD, 7.5 x 7.5mm
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

按键

• • • 型号：TS-1109S-C-B
    • 品牌：XKB Connectivity(中国星坤)
    • 编号：C381037
    • 封装：SMD, 4.5 x 4.5mm
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

陀螺仪 + 加速度 + 地磁 传感器

• • • 品牌：Bosch(博世)
    • 型号：BMX055
    • 编号：C94022
    • 封装：LGA-20_3x4.5mm
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

温度 + 湿度 传感器

• • • 型号：SHT30
    • 品牌：Sensirion(盛思锐)
    • 编号：C77361
    • 封装：DFN-8
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

气压 + 温度 传感器

• • • 型号：HP203B
    • 品牌：HOPERF 华普微电子
    • 编号：C138665
    • 封装：QFN-8
    • 详情：立创商城商品，产品官网信息

* 所有的器件数据手册见页面最下方附件。