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Zur Erweiterung des Raspi für Steuerungszwecke müssen diverse Sensoren angeschlossen und digitale Ein- und Ausgänge realisiert werden. Der Raspi selbst ist nur sehr eingeschränkt in der Lage externe Hardware mit Strom zu versorgen. Da die interne Betriebsspannung 3,3 Volt beträgt, entsprechen auch die Logigikpegel oft nicht den vorliegenden Verhältnissen. Die Erweiterungskarte UNI1 verstärkt (puffert) die Pegel, so dass sich eine umfangreiche Perepherie anschließen lässt, Auf der Karte wird ein SPI-Bus realisiert, der neben dem Standard-SPI-Bus des Raspi benutzt werden kann. Weiterhin ist die RS232-Schnittstelle mit einem Baustein Max3232 ausgestattet, so dass hier eine normale RS232-Schnittstelle realisiert ist, mit der eine Standart-COM-Schnittstelle eines Computers kontaktiert werden kann. Als dritte Funktionseinheit ist die I2C-Schnittstelle des Raspi gepuffert herausgeführt. Die Belegung der Schnittstellen S2,3 I2C und S5 SPI entsprechen in der Belegung dem Pmod-Standard von MAXIM
Die serielle Schnittstelle
Die serielle Schnittstelle wird aus dem Raspi dierekt über den 26-poligen Stecker (Pin 8 und 10) herausgeführt. Der Pegel beträgt aber nur 3,3 Volt und kann somit keine Com-Schnittstelle eines Computers ansteuern. Will man eine externe Schaltung anschließen, so besteht immer das Risiko die Anschlüsse auf dem Raspi zu beschädigen und unter Umständen damit das ganze Gerät zu zerstören.
Deshalb habe ich die Anschlüsse zunächst über 2 Gatter (IC2a und IC2b) eines 74HC08 entkoppelt. Bei nicht bestücktem IC5 können mit zwei Brücken Pin 12 -13 und Pin 11 - 14 die Signale TxD und RxD mit 3,3 Volt auf den Stecker S4 durchgeschaltet werden. Somit kann eine 3,3Volt-Schaltung angesteuert werden. Will man eine Verbindung mit einer Computer-Com-Schnittstelle aufbauen, werden die Brücken nicht eingesetzt und stattdessen IC5 (max3232) aufgelötet, der die Standard-RS232-Pegel bereitstellt. Mit dem JP8 kan man die Anschlüsse an Pin2 und 3 des St4 drehen um ein direktes bzw. ein überkreuztes Kabel zu verwenden. Die Handshakeleitungen werden vom Raspi nicht bereit gestellt, so dass man mit XON und XOFF oder ganz ohne Kontrolle arbeiten muss.
Über Pin 9 von ST4 und den JP2 kann man eine Spannung von 3,3 oder 5 Volt bereitstellen oder einspeisen.
!! Achtung die Belastbarkeit der Stromversorgung des Raspi beachten und keine Kurzschlüsse zwischen Betriebsspannungen erzeugen !! Die Stecker JP2 und JP3 sowie JP1 und JP9 sehr überlegt einsetzen.
Die I2C-Schnittstelle
Auch die I2C Schnittstelle ist auf dem Raspi schon intergriert. Wie aber bei der seriellen Schnittstelle liegen die Pegel der Signale im 3,3-Volt-Bereich und sind ungepuffert, mit bekannten Risiko.
Auf der UNI1 wurde deshalb mit dem IC6 ein Expander eingesetzt, der die Signale puffert und bei Bedarf den Bus auf 5Volt heraufsetzt. Zum Einsatz kommt ein PCA9515A, der nur als SMD-Bauform verfügbar war. Da der Schaltkreis nur 8 Beinchen besitzt, ist das Auflöten nicht sehr kompliziert. Der PCA9515 wird auf der Eingangsseite (SDA0,SCL0) mit 3,3Volt-Pegeln angesteuert, auf der Ausgangsseite sind sowohl 3,3 oder 5Volt Pegel nutzbar. Die Einstellung erfolgt über den JP9 an den Lastwiderständen R1 und R2. Die Signale sind auf 6-polige Buchsen S2,S3 herausgeführt, die einem Standard vom Maxim (Pmod-Compatibel) entsprechen. Nicht normgerecht ist der Anschluss 2, auf dem der INT der I2C liegt. Der wird zur entkopplung zum Raspi über einen Transistor geführt und damit negiert. Bei der Benutzung muss das beachtet werden.
Die SPI-Schnittstelle
Die auf der UNI1 Karte realisierte SPI-Schnittstelle ist nicht die auf dem Raspi bereitgestellte, sondern entspricht der Anschlussbelegung entsprechend der Erweiterung des Buches “Durchstarten mit Raspberry Pi” vom O’Railly-Verlag auf der Internetseite des Autors Erik Bartmann unter http://erik-bartmann.de/programmierung/downloads2.html .
Es bleibt somit die Raspi-eigene SPI-Schnittstelle frei. Die realisierte SPI-Schnittstelle wird in allen Einzelheiten auf der genannten Internetseite beschrieben. Es finden sich dort auch die nötigen Softwarebibliotheken und Programme, sodass eine einfache Inbetriebnahme möglich ist. Als Interfaceschaltkreis wird der MCP23S17 verwendet, der 16 programmierbare Ein/Ausgänge besitzt. Da der Schaltkreis 3 Adresseingänge besitzt, können insgesamt 8 solcher Schaltkreise am gleichen Bus eingesetzt werden, woraus die Möglichkeit von 96 Ein- oder Ausgängen folgt. Auf der UNI1-Platine ist das Port B als Ausgang über einen Darlington-Verstärker ULN2803 mit Freilaufdioden ausgeführt. An den Ausgängen GPB0 und GPB1 ist ein bistabiles Relais angeschlossen. Für das Umschalten des Relais wird damit nur ein kurzen Impuls benötigt und damit der Strombedarf niedrig gehalten. Sollte man auch das Port GPB als Eingang benötigen, so muss man den Schaltkreis IC2 weglassen und Brücken an den Pins 1-18 bis 8-11 einsetzen. Das Port GPA kann selbstverständlich auch als Ausgang benutzt werden.
Über die Buchse S5 können wie oben gesagt weitere Bausteine MCP17S23 oder Bausteine mit gleicher Organisation wie der MCP23S17 (A0,A1,A2) angeschlossen werden. Da nur ein CS-Signal zur Verfügung steht sind anders organisierte Bausteine nicht anschließbar, dafür den Raspi eigenen SPI-Bus benutzen.
!! Bitte auch hier beachten, dass Port GPA und GPB mit 3,3Volt-Pegeln arbeiten. Hinter dem ULN2803 kann mit höheren Spannungen gearbeitet werden, da die Ausgänge OpenCollektor sind, dabei müssen die Freilaufdioden beachtet werden, die am Pin10 und im weiteren aus S8 anliegen. !! Besonders den JP3 beachten !!
technisches
Die UNI1 Karte wird über eine möglichst kurze Bandleitung mit zwei Schneidklemm-Buchsenleiste verbunden
Die gemessene Stromaufnahme im statischen Betrieb liegt unter 5mA.
Aufbau der Karte
Der Aufbau der UNI1-Karte erfordert schon Hardwaregrundkenntnisse. Die Karte ist einseitig ausgeführt. Auf Grund der verfügbaren Fläche ist der Einsatz von SMD-Bauelementen nötig. Mit ein wenig Sorgfalt einer Lupe und einem spitzen Lötkolben kann auch dieses Problem gelöst werden. Vor der Inbetriebnahme sollte man die Leiterseite gründlich auf Lötbrücken prüfen. Zur Selbstherstellung der Leiterplatte habe ich einige Hinweise unter hw_leiterpl untergebracht.
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