Entwerfen Sie Ihre eigene Raspberry Pi Compute Module PCB - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Wenn Sie noch nie vom Raspberry Pi Compute Module gehört haben, ist es im Grunde ein vollwertiger Linux-Computer mit dem Formfaktor eines Laptop-RAM-Sticks!

Damit wird es möglich, eigene benutzerdefinierte Boards zu entwerfen, bei denen der Raspberry Pi nur eine weitere Komponente ist. Das gibt Ihnen eine enorme Flexibilität, da Sie auf eine viel größere Anzahl von IO-Pins zugreifen können, während Sie gleichzeitig genau die Hardware auswählen können, die Sie auf Ihrem Board haben möchten. Die integrierte eMMC macht auch eine externe Micro-SD-Karte überflüssig, was das Compute-Modul perfekt für die Entwicklung von Raspberry Pi-basierten Produkten macht.

Obwohl das Compute Module all dies ermöglicht, scheint es im Vergleich zu den traditionellen Raspberry Pi-Modellen A und B immer noch nicht so beliebt zu sein. Daher gibt es nicht viele Open-Source-Hardwareprojekte, die auf basieren es. Und für alle, die mit dem Entwerfen ihrer eigenen Boards beginnen möchten, sind die Ressourcen, die sie haben, eher begrenzt.

Als ich vor einigen Monaten zum ersten Mal mit dem Raspberry Pi Compute Module angefangen habe, war genau das das Problem, mit dem ich konfrontiert war. Also beschloss ich, etwas dagegen zu tun. Ich habe mich entschieden, eine Open-Source-Platine auf Basis des Compute-Moduls zu entwickeln, die alle grundlegenden Funktionen hat, die den Raspberry Pi großartig machen. Dazu gehören Kameraanschluss, USB-Host, Audioausgang, HDMI und natürlich ein GPIO-Header, der mit den regulären Raspberry Pi-Boards kompatibel ist.

Das Ziel dieses Projekts ist es, ein Open-Source-Design für ein auf einem Compute-Modul basierendes Board bereitzustellen, das jeder als Ausgangspunkt für das Design seines eigenen benutzerdefinierten Boards verwenden kann. Das Board wurde auf KiCAD, einem Open-Source- und plattformübergreifenden EDA-Softwarepaket, entwickelt, damit möglichst viele Leute davon profitieren können.

Schnappen Sie sich einfach die Designdateien, passen Sie sie an Ihre Bedürfnisse an und drehen Sie Ihr eigenes benutzerdefiniertes Board für Ihr Projekt.

Schritt 1: Teile und Werkzeuge

Um mit dem Raspberry Pi Compute Module zu beginnen, benötigen Sie die folgenden Teile:

1 x Raspberry Pi Compute Module 3 - Ich empfehle dringend, die reguläre Version zu kaufen, die die integrierte eMMC und nicht die Lite-Version enthält. Wenn Sie die Lite-Version in Ihrem Projekt verwenden möchten, müssen Sie einige Änderungen am Design vornehmen, darunter das Hinzufügen eines Micro-SD-Kartenanschlusses. Schließlich habe ich das Board nur mit dem CM3 getestet und kann nicht garantieren, dass es mit der ersten CM-Version aus dem Jahr 2014 funktioniert.

Update 29.01.2019: Anscheinend hat die Foundation gerade das Compute Module 3+ veröffentlicht und nicht nur das, sondern jetzt auch die Option für eine 8GB, 16GB oder 32GB eMMC! Laut Datenblatt scheint der CM3+ elektrisch identisch mit dem CM3 zu sein, was bedeutet, dass er im Grunde genommen ein Ersatz für den CM3 ist.

1 x Compute Module IO Board - Mein Design sollte als Ausgangspunkt für die Entwicklung Ihres eigenen benutzerdefinierten Boards dienen, nicht als Ersatz für das Compute Module IO Board. Um Ihnen das Leben zu erleichtern, empfehle ich dringend, sich ein IO-Board zuzulegen und dieses für die Entwicklung zu verwenden, bevor Sie zu einem benutzerdefinierten Board wechseln. Neben dem Zugriff auf jeden einzelnen Pin des CM sowie eine Vielzahl von Anschlüssen wird das IO-Board auch zum Flashen des On-Board-eMMC benötigt. Was Sie mit meinem Board nicht machen können, es sei denn, Sie nehmen zuerst einige Änderungen am Design vor.

1 x Raspberry Pi Zero Kamerakabel oder Compute Module Camera Adapter - In meinem Design verwende ich einen sehr ähnlichen Kameraanschluss wie der, der vom Compute Module IO Board und dem Raspberry Pi Zero verwendet wird. Um eine Kamera anzuschließen, benötigen Sie also entweder ein für den Pi Zero entwickeltes Adapterkabel oder die Kamera-Adapterplatine, die mit dem Compute Module Development Kit geliefert wird. Soweit ich weiß, ist der separate Kauf der Adapterplatine recht teuer. Wenn Sie sich also wie ich dazu entschieden haben, Ihr CM- und IO-Board separat zu kaufen, um Geld zu sparen, empfehle ich Ihnen, sich stattdessen das für den Pi Zero entwickelte Kamera-Adapterkabel zu besorgen.

1 x Raspberry Pi Kameramodul - Ich habe das Board nur mit dem originalen 5MP Kameramodul getestet und nicht mit der neueren 8MP Version. Aber da ersteres gut zu funktionieren scheint, sehe ich keinen Grund, warum das letztere nicht tun würde, da es abwärtskompatibel sein soll. So oder so, die 5MP-Version ist heutzutage für weniger als 5€ bei eBay zu finden, weshalb ich empfehlen würde, eine zu kaufen.

4 x Buchse zu Buchse Jumper-Drähte - Sie benötigen mindestens 4 für die Konfiguration des Kameraanschlusses auf der IO-Platine, Sie möchten jedoch wahrscheinlich mehr bekommen. Sie werden für das benutzerdefinierte Board nicht benötigt, können aber nützlich sein, wenn Sie planen, externe Hardware über den GPIO-Header anzuschließen.

1 x HDMI-Kabel - Ich habe mich entschieden, einen HDMI-Anschluss in voller Größe auf meinem Board zu verwenden, um die Notwendigkeit von Adaptern zu beseitigen. Wenn Sie lieber einen Mini- oder sogar einen Micro-HDMI-Anschluss verwenden möchten, können Sie das Design natürlich an Ihre Bedürfnisse anpassen.

1 x 5V Micro-USB-Netzteil - Ihr Telefonladegerät sollte in den meisten Fällen wahrscheinlich gut funktionieren, solange es mindestens 1A liefern kann. Beachten Sie, dass dies nur ein allgemeiner Wert ist. Ihr tatsächlicher Strombedarf hängt von der Hardware ab, die Sie in Ihr benutzerdefiniertes Board einbauen möchten.

1 x USB-Ethernet-Adapter - Wenn Sie planen, so ziemlich jedes Paket auf Ihrem System zu installieren oder zu aktualisieren, benötigen Sie zumindest vorübergehenden Internetzugang. Ein 2-in-1-Ethernet-Adapter plus USB-Hub ist wahrscheinlich eine gute Kombination, da Sie nur einen USB-Anschluss zur Verfügung haben. Persönlich verwende ich den Edimax EU-4208, der sofort mit dem Pi funktioniert und keine externe Stromversorgung benötigt, aber keinen eingebauten USB-Hub hat. Wenn Sie hier einen USB-Ethernet-Adapter kaufen möchten, können Sie finden Sie eine Liste mit denen, die mit dem Raspberry Pi getestet wurden.

Wenn Sie mehr USB-Ports und sogar Etherent direkt auf Ihrem benutzerdefinierten Board hinzufügen möchten, würde ich vorschlagen, einen Blick auf den LAN9512 von Microchip zu werfen. Es ist der gleiche Chip, der vom ursprünglichen Raspberry Pi Model B verwendet wird und Ihnen 2 USB-Ports und 1 Ethernet-Port bietet. Wenn Sie 4 USB-Anschlüsse benötigen, sollten Sie alternativ einen Blick auf seinen Cousin LAN9514 werfen.

1 x DDR2 SODIMM RAM-Anschluss - Dies ist wahrscheinlich die wichtigste Komponente des gesamten Boards und wahrscheinlich die einzige, die nicht einfach ersetzt werden kann. Um Ihnen die Mühe zu ersparen, sollten Sie sich das Teil TE CONNECTIVITY 1473005-4 zulegen. Es ist bei den meisten großen Anbietern erhältlich, darunter TME, Mouser und Digikey, sodass Sie es problemlos finden sollten. Seien Sie jedoch sehr vorsichtig, überprüfen Sie noch einmal und stellen Sie sicher, dass das Teil, das Sie bestellen, tatsächlich das 1473005-4 ist. Machen Sie nicht den gleichen Fehler wie ich und holen Sie sich die gespiegelte Version, diese Anschlüsse sind nicht billig.

Für den Rest der Teile, die ich in das Board aufnehmen möchte, können Sie einen Blick auf die Stückliste werfen, um weitere Informationen zu erhalten. Ich habe versucht, Links zu den Datenblättern für die meisten von ihnen hinzuzufügen.

Löttechnik - Die kleinsten Bauteile auf der Platine sind die 0402 Entkopplungskondensatoren, aber auch HDMI sowie die Kamera und die SODIMM-Anschlüsse können ohne jegliche Vergrößerung etwas anspruchsvoll sein. Wenn Sie gute Erfahrungen mit dem SMD-Löten haben, sollte dies kein großes Problem sein. Wie auch immer, wenn Sie Zugang zu einem Mikroskop haben, kann ich es sehr empfehlen.

Schritt 2: Flashen des EMMC

Das erste, was Sie tun müssen, bevor Sie Ihr Compute-Modul verwenden, ist das Flashen des neuesten Raspbian Lite-Image auf der eMMC. Die offizielle Raspberry-Pi-Dokumentation ist sehr gut geschrieben und beschreibt den gesamten Prozess sowohl für Linux als auch für Windows sehr detailliert. Aus diesem Grund werde ich die Schritte, die Sie unter Linux ausführen müssen, nur sehr kurz beschreiben, damit sie als schnelle Referenz dienen können.

Zunächst müssen Sie sicherstellen, dass Ihr IO-Board in den Programmiermodus geschaltet ist und das Compute Module in den SODIMM-Anschluss eingesteckt ist. Um die Karte in den Programmiermodus zu versetzen, schieben Sie den Jumper J4 in die Position EN.

Als nächstes müssen Sie das rpiboot-Tool auf Ihrem System erstellen, damit Sie es verwenden können, um Zugriff auf die eMMC zu erhalten. Dazu benötigen Sie eine Kopie des usbboot-Repositorys, das Sie einfach mit git wie folgt abrufen können:

git clone --depth=1 https://github.com/raspberrypi/usbboot && cd usbboot

Um rpiboot zu erstellen, müssen Sie nun sicherstellen, dass sowohl libusb-1.0-0-dev- als auch make-Pakete auf Ihrem System installiert sind. Angenommen, Sie haben eine Debian-basierte Distribution wie Ubuntu ausgeführt, sudo apt update && sudo apt install libusb-1.0-0-dev make

Wenn Sie keine Debian-basierte Distribution verwenden, kann der Name des Pakets libusb-1.0.0-dev anders sein, also stellen Sie sicher, dass Sie herausfinden, wie es in Ihrem Fall heißt. Sobald die Build-Abhängigkeiten installiert sind, können Sie die rpiboot-Binärdatei einfach durch Ausführen erstellen:

machen

Nachdem der Build abgeschlossen ist, führen Sie rpiboot als root aus und es beginnt, auf eine Verbindung zu warten.

sudo./rpiboot

Schließen Sie nun das IO-Board an Ihren Computer an, indem Sie ein Micro-USB-Kabel an den USB-SLAVE-Port anschließen und dann den POWER IN-Port mit Strom versorgen. Nach einigen Sekunden sollte rpiboot das Compute Module erkennen und Ihnen den Zugriff auf die eMMC ermöglichen. Das sollte dazu führen, dass ein neues Blockgerät unter /dev erscheint. Sie können das Programm fdisk verwenden, um den Namen des Geräts zu finden, sudo fdisk -l

Datenträger /dev/sdi: 3,7 GiB, 3909091328 Byte, 7634944 Sektoren

Einheiten: Sektoren von 1 * 512 = 512 Byte Sektorgröße (logisch/physisch): 512 Byte / 512 Byte E/A-Größe (minimal/optimal): 512 Byte / 512 Byte Disklabel Typ: dos Disk Identifier: 0x8e3a9721

Gerät Boot Start Ende Sektoren Größe ID Typ

/dev/sdi1 8192 137215 129024 63M c W95 FAT32 (LBA) /dev/sdi2 137216 7634943 7497728 3.6G 83 Linux

In meinem Fall war es /dev/sdi, da ich bereits einige Laufwerke an mein System angeschlossen habe, aber Ihre werden definitiv variieren.

Nachdem Sie sich absolut sicher sind, den richtigen Gerätenamen gefunden zu haben, können Sie mit dd das Raspbian Lite-Image auf die eMMC brennen. Stellen Sie jedoch vorher sicher, dass keine Partition der eMMC bereits auf Ihrem System gemountet ist.

df -h

Wenn Sie diese wie folgt aushängen, sudo umount /dev/sdXY

Seien Sie jetzt äußerst vorsichtig, die Verwendung des falschen Gerätenamens mit dd kann Ihr System möglicherweise zerstören und zu Datenverlust führen. Fahren Sie nicht mit dem nächsten Schritt fort, es sei denn, Sie sind sich absolut sicher, dass Sie wissen, was Sie tun. Wenn Sie weitere Informationen benötigen, schauen Sie bitte in die Dokumentation dazu.

sudo dd if=-raspbian-stretch-lite.img of=/dev/sdX bs=4M && sync

Sobald die Befehle dd und sync abgeschlossen sind, sollten Sie die E/A-Platine von Ihrem Computer trennen können. Vergessen Sie schließlich nicht, den J4-Jumper wieder in die Position DIS zu schieben, und Ihr Compute Module sollte für den ersten Start bereit sein.

Schritt 3: Erster Start

Stellen Sie vor dem ersten Booten sicher, dass Sie eine USB-Tastatur und einen HDMI-Monitor an Ihr IO-Board anschließen. Wenn alles wie erwartet läuft und Ihr Pi das Booten beendet, können Sie mit ihnen interagieren, wenn Sie sie angeschlossen haben.

Wenn Sie aufgefordert werden, sich anzumelden, verwenden Sie "pi" für den Benutzernamen und "raspberry" für das Passwort, da dies die Standard-Anmeldedaten sind. Sie können jetzt einige Befehle ausführen, um sicherzustellen, dass alles wie erwartet funktioniert, wie Sie es normalerweise auf jedem Raspberry Pi tun würden, aber versuchen Sie noch nicht, etwas zu installieren, da Sie immer noch keine Internetverbindung haben.

Eine wichtige Sache, die Sie tun müssen, bevor Sie Ihren Pi herunterfahren, ist die Aktivierung von SSH, damit Sie nach dem nächsten Booten von Ihrem Computer aus eine Verbindung herstellen können. Das geht ganz einfach mit dem Befehl raspi-config, sudo raspi-config

Um SSH zu aktivieren, gehen Sie zu Schnittstellenoptionen, wählen Sie SSH, wählen Sie JA, OK und Fertig stellen. Falls Sie gefragt werden, ob Sie einen Neustart durchführen möchten, lehnen Sie ab. Nachdem Sie fertig sind, fahren Sie Ihren Pi herunter und entfernen Sie die Stromversorgung, sobald er fertig ist.

sudo shutdown -h jetzt

Als nächstes müssen Sie mit dem USB-Ethernet-Adapter, den Sie bereits haben sollten, eine Internetverbindung herstellen. Wenn Ihr Adapter auch über einen USB-Hub verfügt, können Sie ihn nach Belieben zum Anschließen Ihrer Tastatur verwenden, ansonsten können Sie sich einfach über SSH mit Ihrem Pi verbinden. Lassen Sie den HDMI-Monitor in jedem Fall zumindest vorerst angeschlossen, um sicherzustellen, dass der Startvorgang wie erwartet abgeschlossen wird.

Gegen Ende sollte es Ihnen auch die IP-Adresse anzeigen, die Ihr Pi vom DHCP-Server erhalten hat. Versuchen Sie, dies zu verwenden, um sich über SSH mit Ihrem Pi zu verbinden.

ssh pi@

Nachdem Sie sich erfolgreich über SSH mit Ihrem Pi verbunden haben, brauchen Sie den Monitor und die Tastatur nicht mehr eingesteckt, also können Sie sie bei Bedarf entfernen. An dieser Stelle sollten Sie auch von Ihrem Pi aus auf das Internet zugreifen können. Sie können versuchen, etwas wie google.com zu pingen, um dies zu überprüfen. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass Sie Zugang zum Internet haben, ist es eine gute Idee, das System zu aktualisieren, indem Sie Folgendes ausführen:

sudo apt-Update && sudo apt-Upgrade

Schritt 4: Konfigurieren der Kamera

Der größte Unterschied zwischen einem regulären Raspberry Pi Board und dem Compute Module besteht darin, dass Sie im letzteren Fall neben der Aktivierung der Kamera mit raspi-config auch eine benutzerdefinierte Gerätebaumdatei benötigen.

Weitere Informationen zur Konfiguration des Compute Module für den Einsatz mit einer Kamera finden Sie in der Dokumentation. Aber im Allgemeinen verfügt der Kameraanschluss unter anderem auch über 4 Steuerpins, die mit 4 GPIO-Pins des Compute-Moduls verbunden werden müssen, und es liegt an Ihnen, welche beim Design Ihres benutzerdefinierten Boards zu entscheiden.

In meinem Fall wähle ich beim Entwerfen des Boards CD1_SDA, um zu GPIO28, CD1_SCL zu GPIO29, CAM1_IO1 zu GPIO30 und CAM1_IO0 zu GPIO31 zu gehen. Ich wähle diese speziellen GPIO-Pins, da ich einen 40-Pin-GPIO-Header auf meinem Board haben wollte, der auch die Kompatibilität mit dem GPIO-Anschluss der regulären Raspberry Pi-Boards beibehält. Und aus diesem Grund musste ich sicherstellen, dass die GPIO-Pins, die ich für die Kamera verwende, nicht auch im GPIO-Header erscheinen.

Wenn Sie also keine Änderungen an der Verkabelung des Kameraanschlusses vornehmen, benötigen Sie eine /boot/dt-blob.bin, die Ihren Pi anweist, GPIO28-31 wie oben beschrieben zu konfigurieren. Und um eine dt-blob.bin zu generieren, bei der es sich um eine Binärdatei handelt, benötigen Sie eine dt-blob.dts zum Kompilieren. Zur Vereinfachung werde ich Ihnen meine eigenen dt-blob.dts zur Verfügung stellen, die Sie dann bei Bedarf an Ihre Bedürfnisse anpassen können.

Um die Gerätebaumdatei zu kompilieren, verwenden Sie den Gerätebaum-Compiler wie folgt:

dtc -I dts -O dtb -o dt-blob.bin dt-blob.dts

Ich bin mir nicht sicher warum, aber das obige sollte zu einigen Warnungen führen, aber solange die dt-blob.bin erfolgreich generiert wurde, sollte alles in Ordnung sein. Verschieben Sie nun die soeben generierte dt-blob.bin nach /boot, indem Sie Folgendes ausführen:

sudo mv dt-blob.bin /boot/dt-blob.bin

Das Obige gibt Ihnen wahrscheinlich die folgende Warnung:

mv: Eigentümerschaft für '/boot/dt-blob.bin' konnte nicht beibehalten werden: Vorgang nicht zulässig

Dies ist nur mv, der sich darüber beschwert, dass der Dateibesitz nicht beibehalten werden kann, da /boot eine zu erwartende FAT-Partition ist. Sie haben vielleicht bemerkt, dass /boot/dt-blob.bin standardmäßig nicht existiert, weil der Pi stattdessen einen eingebauten Gerätebaum verwendet. Das Hinzufügen eines eigenen in /boot überschreibt jedoch das eingebaute und ermöglicht es Ihnen, die Funktion seines Pins nach Ihren Wünschen zu konfigurieren. Mehr zum Gerätebaum finden Sie in der Dokumentation.

Danach müssen Sie die Kamera aktivieren, sudo raspi-config

Gehen Sie zu Schnittstellenoptionen, wählen Sie Kamera, wählen Sie JA, OK und Fertig stellen. Falls Sie gefragt werden, ob Sie einen Neustart durchführen möchten, lehnen Sie ab. Fahren Sie nun Ihren Pi herunter und entfernen Sie die Stromversorgung.

Nachdem die Stromversorgung von der IO-Platine entfernt wurde, verbinden Sie die Pins für GPIO28 mit CD1_SDA, GPIO29 mit CD1_SCL, GPIO30 mit CAM1_IO1 und GPIO31 mit CAM1_IO0 mit 4 Steckbrücken von Buchse zu Buchse. Schließen Sie schließlich Ihr Kameramodul mit der Kameraadapterplatine oder einem für den Raspberry Pi Zero entwickelten Kamerakabel an den CAM1-Anschluss an und schalten Sie die Stromversorgung ein.

Wenn nach dem Start des Pi alles wie erwartet funktioniert hat, sollten Sie die Kamera verwenden können. Um zu versuchen, ein Bild aufzunehmen, nachdem Sie über SSH eine Verbindung zu Ihrem Pi hergestellt haben, Raspistill -o test.jpg

Wenn der Befehl ohne Fehler endet und eine test-j.webp

sftp> test.jpg abrufen sftp> beenden

Schritt 5: Wechsel von der IO-Platine zu einer benutzerdefinierten Leiterplatte

Nachdem Sie mit der Grundkonfiguration fertig sind, können Sie Ihr eigenes benutzerdefiniertes Board basierend auf dem Compute Module entwerfen. Da dies Ihr erstes Projekt sein wird, empfehle ich Ihnen dringend, mein Design zu übernehmen und es um zusätzliche Hardware zu erweitern, die Sie mögen.

Die Rückseite des Boards bietet viel Platz zum Hinzufügen eigener Komponenten und für relativ kleine Projekte müssen Sie wahrscheinlich nicht einmal die Abmessungen des Boards erhöhen. Falls es sich um ein eigenständiges Projekt handelt und Sie keinen physischen GPIO-Header auf Ihrem Board benötigen, können Sie ihn leicht loswerden und Platz auf der Oberseite der Platine sparen. Der GPIO-Header ist auch die einzige Komponente, die durch die zweite innere Schicht geführt wird und diese vollständig freigibt.

Ich sollte darauf hinweisen, dass ich eines der Boards erfolgreich selbst montiert und getestet habe und überprüft habe, dass alles einschließlich der Kamera und des HDMI-Ausgangs wie erwartet zu funktionieren scheint. Solange Sie also keine großen Änderungen an der Art und Weise vornehmen, wie ich alles geroutet habe, sollten Sie keine Probleme haben.

Falls Sie jedoch einige große Layoutänderungen vornehmen müssen, denken Sie daran, dass die meisten Leiterbahnen, die zu den HDMI- und Kameraanschlüssen gehen, als 100-Ohm-Differenzpaare geführt werden. Dies bedeutet, dass Sie dies berücksichtigen müssen, falls Sie sie auf dem Brett verschieben müssen. Dies bedeutet auch, dass Sie selbst dann, wenn Sie den GPIO-Header aus Ihrem Design entfernen, was bedeutet, dass die internen Schichten jetzt keine Spuren enthalten, immer noch eine 4-Schicht-Leiterplatte benötigen, um eine Differenzimpedanz nahe 100 Ohm zu erreichen. Wenn Sie jedoch den HDMI-Ausgang und die Kamera nicht nutzen möchten, sollten Sie in der Lage sein, mit einem 2-Layer-Board zu arbeiten, indem Sie sie loswerden und die Kosten für die Boards etwas senken.

Nur als Referenz wurden die Boards von ALLPCB mit einer Gesamtdicke von 1,6 mm bestellt und ich habe nicht nach einer Impedanzkontrolle gefragt, da dies wahrscheinlich die Kosten ziemlich in die Höhe treiben würde und ich auch sehen wollte, ob es eine Rolle spielt. Ich habe auch Tauchgold-Finish gewählt, um das Handlöten der Steckverbinder zu erleichtern, da es garantiert, dass alle Pads schön flach sind.