ART-PI 扩展板 Sense HAT - 嘉立创EDA开源硬件平台

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2、流畅支持300个器件或1000个焊盘以下的设计规模

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标准版 ART-PI 扩展板 Sense HAT

简介:ART-Pi Sense HAT 是 ART-PI 开发板适用的 Sense HAT扩展板,用于开发基于显示阵列和传感器的产品原型。传感器配置兼容树莓派Sense HAT,兼容Astro PI实验。

开源协议: GPL 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2021-01-19 17:02:08
更新时间: 2022-01-16 11:28:35
描述

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)

      • PG14 - KEY_1
      • PG13 - KEY_2
      • PH10 - LED_DATA
      • PI1 - GYR_ACC_MAG_SCLK
      • PI2 - GYR_ACC_MAG_MISO
      • PI3 - GYR_ACC_MAG_MOSI
      • PB0 - MAGNETOMETER_CS
      • PB1 - GYROSCOPE_CS
      • PB2 - ACCELEROMETER_CS
      • PA6 - GYROSCOPE_INT1
      • PA7 - GYROSCOPE_INT2
      • PH2 - ACCELEROMETER_INT1
      • PH3 - ACCELEROMETER_INT2
      • PA2 - TEMPERATURE_HUMIDITY_SCL
      • PA3 - TEMPERATURE_HUMIDITY_SDA
      • PE4 - PRESSURE_TEMPERATURE_SCL
      • PE5 - PRESSURE_TEMPERATURE_SDA
      • PH11 - JOYSTICK_UP
      • PH12 - JOYSTICK_DOWN
      • PH13 - JOYSTICK_LEFT
      • PH14 - JOYSTICK_RIGHT
      • PH15 - JOYSTICK_CLICK

 

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

 

迷你摇杆

 

按键

 

陀螺仪 + 加速度 + 地磁 传感器

 

温度 + 湿度 传感器

 

气压 + 温度 传感器

 

* 所有的器件数据手册见页面最下方附件。

 
设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
未生成预览图,请在编辑器重新保存一次
ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Supplier BOM_Manufacturer
1 Type 6P USB1 TYPE-C-SMD_TYPE-C-31-M-16 1 LCSC XKB Connectivity
2 BMX055 U1 LGA-20_L4.5-W3.0-P0.50-BL 1 LCSC Bosch Sensortec
3 5.1K R12,R13 R0603 2 LCSC Guangdong Fenghua Advanced Tech
4 10K R4,R3,R2,R1,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11 R0603 11 LCSC Uniroyal Elec
5 SHT30 U3 DFN-8_L2.5-W2.5-P0.50-BL-EP 1 LCSC Sensirion
6 10uF C2 C0603 1 LCSC Taiyo Yuden
7 B5817WS D1,D2 SOD-323F_L2.0-W1.6-LS2.5-RD 2 LCSC SK
8 WS2812B L64,L63,L62,L61,L60,L59,L58,L57,L56,L55,L54,L53,L52,L51,L50,L49,L48,L47,L46,L45,L44,L43,L42,L41,L40,L39,L38,L37,L36,L35,L34,L33,L32,L31,L30,L29,L28,L27,L26,L25,L24,L23,L22,L21,L20,L19,L18,L17,L16,L15,L14,L13,L12,L11,L10,L9,L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 LED-SMD_4P-L3.5-W3.5-TL_WS2812B 64 LCSC Worldsemi
9 ART-PI 扩展引脚 P2 H2 ART-PI 扩展引脚 1 LCSC BOOMELE
10 TM-4175-B-A SW1 SW-SMD_TM-4175-B-X 1 LCSC XKB Enterprise
11 Free_Logo PF1 FREE-DESIGN 1 Tairraos Tairraos
12 TS-1109S-C-B SW2,SW3 KEY-SMD_4P-L4.5-W4.5-P3.00-LS7.0 2 LCSC XKB Enterprise
13 100nF C1 C0603 1 LCSC Holy Stone Enterprise
14 ART-PI 扩展引脚 P1 H1 ART-PI 扩展引脚 1 LCSC BOOMELE
15 HP203B U2 QFN-8_HP203B 1 LCSC HOPERF
16 4.7uF C3 C0603 1 LCSC SAMSUNG

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