Arduino的擴展板被稱為Shield，而樹莓派的擴展板則稱作HAT（Hardware Attached on Top），意為附加在樹莓派頂上的硬件板卡。下面就帶著大家從零開始設計一塊開源的樹莓派擴展板，暫名為Raspberry Pi ICA HAT。

　　Raspberry Pi ICA HAT

　　1. 需求分析

　　設計HAT的初衷是為樹莓派提供基本的顯示和用戶輸入功能，并引出UART、I2C、SPI等硬件接口，方便連接其他模塊，同時也能夠做為用戶學習樹莓派硬件編程的入門板（Starter Board）。ICA HAT的配置如下：

　　1. 用戶按鍵x5，可以作為上下左右和“確定”按鍵；

　　2. 用戶LED x4，實現(xiàn)基本指示功能，另有一個電源指示LED；

　　3. 有源蜂鳴器x1，提供報警功能；

　　4. 紅外發(fā)射管x2，紅外接收頭x1，實現(xiàn)紅外收發(fā)遙控功能；

　　5. 七段數(shù)碼管x2，實現(xiàn)8位數(shù)字顯示，通過SPI接口的MAX7219芯片驅(qū)動；

　　6. I/O和電源擴展排針若干。

　　設定好需求后，首先需要考慮的是結(jié)構(gòu)問題，本例的設計針對的是樹莓派2B型號，同時也兼容一代的B+型號。下圖為樹莓派2B/B+的機械結(jié)構(gòu)：

　　針對樹莓派的機械結(jié)構(gòu)，可以設計全長和半長兩種HAT。全長板與樹莓派外框尺寸相同，但由于樹莓的USB和RJ45連接器較高，需要注意該區(qū)域底層的器件是否會與連接器接觸。

　　半長板則只包含四個螺孔的區(qū)域。

　　兩種板型都通過2.54mm間距排座與主板上的排針連接，并通過4個M2.5銅柱或螺釘與主板進行固定。如下圖所示。

　　圖 全長HAT和半長HAT

　已將設計好的兩種尺寸HAT存放在GitHub上，讀者可以在此基礎上進行設計。

　　分析完機械結(jié)構(gòu)后，緊接著需要考慮的是I/O資源分配。樹莓派2B/B+的I/O中包括兩個SPI接口、兩個I2C接口和一個UART接口。沒有可用的硬件PWM和ADC。并且，I2C0被用作IDPROM接口，用于讀取HAT板卡信息，用戶無法使用。SPI1在CPU中又叫做SPI_AUX，目前 Linux驅(qū)動尚不完善，但可以通過pigpo庫調(diào)用。如下圖所示：

　　本例將SPI0、I2C1和UART0引出至排針，MAX7219使用SPI1控制，并使用GPIO作為軟片選。其他功能根據(jù)布線任意分配GPIO。