Frédéric nous a déjà proposé de découvrir plusieurs articles sur le blog, comme son boîtier pour Pi3 avec Fusion 360 ou son Rover Martien. Cette fois il vous propose de créer votre propre carte HAT pour le Raspberry Pi.

Concevoir et réaliser sa propre carte HAT pour le Raspberry Pi

Introduction

Il existe un grand nombre de carte d’extension pour l’ensemble des modèles de Raspberry  … du PI zero au PI 4 B.

Un parcours rapide du catalogue Adafruit, par exemple, permet de découvrir beaucoup de possibilités et d’idées de projet : cartes afficheurs, GPS, asservissement de moteurs pas pas, ou servomoteurs, capteurs diverses ….etc   (https://www.adafruit.com/category/286)

Il est également possible de se procurer et d’utiliser une carte d’expérimentation pour des projets spécifiques, ces cartes présentent l’avantage d’être complètement ouvertes à l’implémentation de son choix.

Mais quand les tests sont réalisés, concluants, que tout fonctionne correctement, et que son projet, ou son idée, arrive à maturation …., il peut être vraiment sympa de réaliser son propre HAT qui répondra parfaitement à son besoin.

je vous propose donc de survoler très rapidement les étapes de conception de sa carte d’extension pour Raspberry PI.

Cette conception permettra ensuite de réaliser une commande, de quelques Euros, afin d’obtenir un résultat très professionnel !

L’objectif n’est pas de décrire le fonctionnement d’un logiciel de conception de circuit électronique, mais plutôt de de décrire très sommairement la marche à suivre à l’aide d’un exemple concret.

Les étapes du projet

La conception et la réalisation de sa carte d’extension passent par plusieurs étapes:

• la définition du besoin
  comme dans tout projet, la phase de réfection est cruciale ! il est essentiel définir son besoin :  le nombre de Led, de boutons, les Gpio utilisés, les connecteurs ….etc
• la réalisation du schéma
  Même si cette étape n’est pas indispensable car l’on peut directement dessiner les pistes de son circuit, il est souhaitable de mettre au propre son câblage à l’aide d’un schéma.   
• le dessin du PCB  (Printed circuit board, ou circuit imprimé)
  Il résulte directement du schéma 
• la commande du PCB
  là, il faudra sortir sa carte bleue, mais pour une somme vraiment modeste 

Mon besoin

A titre d’exemple, voici un descriptif de mon besoin : commander, depuis mon RPI, quatre (ou six) servomoteurs de type Dynamixel XL-320 et disposer de connecteurs pour une communication I2C avec des cartes d’asservissement de moteurs à courant continue. Également, disposer facilement des Gpio de la RPI pour de futurs évolutions.

    Voici donc les éléments que je souhaitais trouver sur ma carte d’extension :

• quelques composant CMS pour interfacer l’Uart du RPI avec les moteurs Dynamixel
• des connecteurs de type Molex pour 6 moteurs Dynamixel
• un bornier d’alimentation pour les Dynamixel (7.,5v externe)
• des connecteurs de type Molex KK254 pour le bus I2C
• une ligne de Gpio + Gnd + 5V (ou 3,3v) pour connecter directement des servomoteurs classiques
• et enfin, un ensemble de trous simples, au pas de 2,54, pour de futurs ajouts 

Ce besoin est un lien directement avec la conception et mise au point de mon Projet “Mars 2020, le Rover Perseverance”,  présenté sur https://www.framboise314.fr/un-raspberry-pi-sur-la-planete-mars/ 

Le schéma 

Le schéma et le PCB, sont réalisés, ici,  à l’aide du logiciel EasyEDA (https://easyeda.com/) , précédemment présenté par François (https://www.framboise314.fr/easyeda/) ; mais il est également possible d’utiliser n’importe quelle autre solution : KiCad, Eagle, Fusion 360 (et oui !)

Les points forts d’ EasyEDA sont principalement sa facilité d’utilisation, sa grande bibliothèque de composants, et son interfaçage très simple avec JLCPCB pour la commande.  

Le principe est de trouver, à l’aide du moteur de recherche de la librairie, les composants adaptés à son besoin. Il est également possible de créer sa propre librairie et d’adapter ou dessiner ses composants. (voir par exemple https://www.framboise314.fr/creation-de-composants-avec-easyeda/)

Un composant “complet” est composé de sa version schématique, de sa version PCB , et éventuellement de sa version 3D,

Exemple pour une LED CMS :

Dans ce schéma,  on peut reconnaître le connecteur 40 broches du Raspberry PI, l’étage de conversion du signal de l’UART, (basé sur un SN74LV1T126DBVR et des 2N7002LT1G) , les connecteurs :

Le PCB

Afin de réaliser son propre HAT pour Raspberry PI (en version 3 ou 4), je vous conseille de partir sur la base suivante :

• un circuit d’une dimension de 56 x 64 mm (avec les coins arrondis)
• 4 perçages de fixation d’un diamètre de 3mm avec un espacement de 49 x 58 mm
• le bornier 40p centré sur l’axe des perçages supérieur

On place ensuite les composants à l’aide de la grille magnétique du logiciel au pas de 2.54mm.
Les liens logiques sont représentés par des traits bleu très fin, conformément au schéma précédemment réalisé.

Reste à dessiner les pistes, manuellement ou à l’aide du routeur intégré .

Voici le résultat : en rouge, les pistes du dessus, en bleu, les pistes du dessous.

Et oui ! le PCB est multi couche, 2 couches dans la version la plus simple et la plus économique, ce qui autorise les croisements pour arriver à ses fins.

La commande

EasyEDA propose d’exporter directement les fichiers Gerber sur le site de production de JLCPCB et réalise une estimation du coût :
5 Dollars pour une quantité de 10 PCB et une livraison estimée à une semaine, auxquels il faudra tout de même ajouter les frais de livraison.

Le résultat

Mon choix s’est porté sur un PCB Blanc (sans frais supplémentaire) , voici le résultat, d’une qualité irréprochable :

 Après implantation et soudure des composants, la carte répond parfaitement à mon besoin, elle se positionne parfaitement sur le Raspberry 

Conclusion

La conception de son propre HAT pour Raspberry PI n’est finalement pas très compliqué et reste vraiment à la porté de chacun

La réalisation très “pro” donne une très grande satisfaction à la vue du résultat final.
A vous de jouer !

Cette carte est en partage sur le site EasyEDA : https://easyeda.com/fredj21

Merci Frédéric pour cet article qui permettra à chacun de réaliser sa propre carte HAT.