Motherboard per Orange Pi Zero

I Single-board computer sono bellissimi ma quando andiamo ad utilizzare i connettori di espansione possono essere problemi: necessità di collegare più componenti allo stesso bus, più fili allo stesso terminale e così via. Per i miei progetti ho realizzato una motherboard che mi fornisce una serie di connettori per collegare le varie periferiche.

Requisiti

• Orange PI Zero (con connettore modificato se si vuole usare la parte relativa ad audio e usb)

Caratteristiche

• Alimentazione da 7 a 28 V con modulo DC/DC converter
• In alternativa alimentazione via Power over Ethernet (richiede modifiche alla scheda OPi Zero)
• RTC DS3231
• Cicalino comandato da GPIO
• Amplificatore BF (monofonico)
• Ingresso per modulo microfonico per interfono
• Ingresso digitale optoisolato (collegabile a vari GPIO)
• Led di stato e pulsante di reset (richiedono modifiche alla scheda OPi Zero)
• Tre connettori su I²C0 di cui uno compatibile con i moduli RTC reperibili in rete
• Un connettore su I²C1 (bus a cui è collegato anche il RTC presente sulla scheda)
• Connettore seriale 1 (/dev/ttyS1)
• Connettore seriale 2 (/dev/ttyS2) con il segnale RTS (utile per il comando di interfacce RS485) e alimentazione 3,3 e 5 V
• Connettore SPI out (per collegamento moduli display a led, facilmente modificabile per avere disponibile un'interfaccia completa), utilizzabile in alternativa come per seriale 3 (/dev/ttyS3) con segnale RTS
• Connettore per 1Wire (per esempio sensori temperatura DS18B20)
• Connettore per ricevitore IR
• Tre connettori USB con protezione su alimentazione e linee segnale

Quasi tutti i connettori prevedono linee di alimentazione a 3,3 o 5V

Schema elettrico

Elenco componenti

• C1 = Condensatore elettrolitico 220 µF, 10V verticale, interasse 2,5mm, diametro 6,3 mm
• C2,C3 = Condensatori ceramici SMD 0603 100nF
• C6,C7 = Condensatori ceramici SMD 0603 100nF
• C4 = Condensatore ceramico SMD 1206 47nF
• C5 = Condensatore elettrolitico 220 µF, 10V verticale, interasse 2,5mm, diametro 6,3 mm
• C8 = Condensatori ceramici SMD 0603 100nF
• C9 = Condensatore ceramico SMD 1206 10µF
• D1 = LED blu SMD 1206 indicatore di presenza alimentazione
• D2 = LED rosso SMD 1206 microfono collegato
• D3 = LED giallo SMD 1206 ingresso optoisolato alimentato
• D4 = LED verde SMD 1206 presenza alimentazione prese su USB
• D5 = LED 3mm
• D6 = Ponte a diodi SMD
• F1 = Fusibile SMD 1210
• F2 = Fusibile SMD 1210
• J1 = Pin header verticale 2x13 passo 2,54 mm
• J2 = Pin header verticale 1x13 passo 2,54 mm
• J3 = Morsettiera 1x6 passo 5,08 mm Phoenix Contact MSTBVA_2,5-6-G-5,08 sito web Phoenix Contact
• J4,J5,J6 = Connettori USB-A femmina verticali da stampato
• J7 = Connettore JST XH (passo 2,5 mm) 1x02 verticale
• J8 = Connettore JST XH (passo 2,5 mm) 1x02 verticale
• J9,J10,J12,J15,J16 = Connettori JST XH (passo 2,5 mm) 1x04 verticali
• J11 = Connettori JST XH (passo 2,5 mm) 1x05 verticali
• J13 = Connettore JST XH (passo 2,5 mm) 1x03 verticale
• J14 = Connettore JST XH (passo 2,5 mm) 1x06 verticale
• J17 = Header IDC 2x05 passo 2,54 mm verticale
• J18 = Connettore JST XH (passo 2,5 mm) 1x03 verticale
• J19 = Connettore JST PH (passo 2) 1x02 orizzontale
• J20 = Connettore Molex PicoBlade 53047-0210_1x02 (passo 1,25mm) verticale
• J21 = Connettore JST PH (passo 2) 1x02 orizzontale
• J22 = Connettori JST XH (passo 2,5 mm) 1x05 verticali (alternativo a J17)
• JP1,JP2,JP3 = Selezione pin per ingresso optoisolato (default GPIO 6)
• JP4 = Selezione alimentazione LED power (default 24V)
• Q1 = Transistor BC807 (PNP) SOT-23
• R1 = 22 KΩ SMD 1206
• R2 = 10 Ω SMD 1206
• R3,R4,R5 = 2,2 KΩ SMD 1206
• R6 = 10 KΩ SMD 1206
• R7 = 4,7 KΩ SMD 1206
• R8 = 2,2 KΩ SMD 1206
• R9 = 4,7 KΩ SMD 1206
• R10 = 22 KΩ SMD 1206
• R11 = 4,7 KΩ SMD 1206
• SW1 = pulsante da stampato normalmente aperto SMD 6x6mm
• U1 = modulo alimentazione DC/DC MP1584 datasheet integrato possibile fornitore
• U2, U3, U4 = USBLC6-2SC6 (protezione disturbi USB) datasheet
• U5 = LM386 DIL datasheet
• U6 = SFH618A-1 datasheet
• U7 = H11L1 datasheet
• U8 = DS3231M SOIC-16W datasheet
• U9 = Ag9905LP (alternativo a U1) datasheet
• BZ1 = Buzzer 12x9.5 passo 7.6

Circuito stampato

Link per il file zip contente i file Gerber dello stampato.

Questa versione contiene un errore nel posizionamento di Q1 che va saldato come riportato nella foto.

Per saldare il DS3231 (U8) conviene eliminare i ponti verso massa laterali e centrali lasciando solo quelli alle estremità.

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  Render lato superiore circuito stampato

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  Render lato inferiore circuito stampato

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  Circuito stampato

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  Posizionamento corretto di Q1

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  Modifiche per il collegamento del reset (filo rosso) e del POE (fili verde e blu)

Connettori

J1

È il connettore principale con i pin di I/O del modulo Orange PI Zero. Contrariamente ai vari hats che si usano normalmente su questi moduli e sugli analoghi Raspberry il mio circuito è pensato per funzionare da base con in modulo montato sopra. Questo porta alcuni vantaggi come il fatto di non essere limitati alle dimensioni del circuito di estensione e di avere la schedina SD facilmente raggiungile ma porta qualche problema nell'uso del connettore J2. Sullo stampato va montato un connettore strip line 2x13 maschio mentre sul modulo Orange Pi Zero va montato un connettore strip-line femmina 2x13 sul lato inferiore. Se volete avere la possibilità di montare ulteriori hat sopra il modulo questo secondo connettore deve essere del tipo con i terminali lunghi. Se siete masochisti potete comunque montare questa motherboard come hat perdendo l'accesso al connettore della console seriale e rendendo l'accesso alla SD particolarmente problematico.

J2

Questo connettore da accesso a due porte USB oltre a ingresso e uscita audio e ingresso per sensore IR (l'uscita videocomposito non è utilizzata). Per utilizzarlo è purtroppo necessario smontare il connettore maschio presente sul modulo SBC e sostituirlo con il corrispondente femmina da montare sul lato inferiore. Un'alternativa è quella di saldare sullo stampato dei fili intestati con un connettore Dupont femmina 1x13 collegando poi lo stesso sul connettore strip line presente sul modulo Orange Pi Zero. Ovviamente se scegliete di usare la motherboard come hat questo connettore va bene così com'è (e questo è l'unico vantaggio di questo tipo di montaggio!).

J3

E' il connettore per l'alimentazione non POE del circuito (attenzione alla polarità) oltre che per il collegamento dell'altoparlante e del microfono esterno se volete usarlo in configurazione citofono. Io ho usato una morsettiera da stampato della Phoenix Contact che presenta la comodità di poter staccare tutti i fili senza doverli staccare dal corpo del morsetto. Nulla vieta di utilizzare dei normali morsetti a vite da stampato. Ovviamente se utilizzate solo alcune delle funzioni disponibili la morsettiera sarà con un numero inferiore di poli. In una applicazione ho utilizzato un connettore JST utilizzando solo i pin dispari, questa opzione sarà disponibile nativamente se realizzerò la nuova versione dello stampato.

J4 J5 J6 J7

Sono i connettori USB. I primi due riportano le porte USB presenti sul connettore J2 mentre J6 è pensata per trasformare la porta micro USB OTG come normale porta USB A realizzando un semplice cavetto a due fili collegato al connettore J7. In questo caso è necessario attivare la porta come USB ma non è necessario attivare l'alimentazione in quanto come per le altre due questa è derivata dal connettore J2.

J8

È un ingresso digitale optoisolato. Collegabile a vari pin di I/O, di default utilizza il pin GPIO 6. Va alimentato con segnali continui a tensione ragionevolmente bassa. Se volete usarlo per segnali in alternata o a tensioni elevate è necessario prevedere un circuito di adattamento esterno. Se usate la scheda come citofono VoIP potete usarlo come ingresso per il campanello. Io l'ho utilizzato con frequenza fino a 600Hz nell'uso come contagiri per il motore della mia barca.

J9 J10 J11

Rendono disponibili i segnali della prima interfaccia I²C (I2C0) oltre all'alimentazione a 3,3V. Il connettore J11 inoltre riporta il pin GPIO 6 ed è possibile sostituirlo con un connettore strip line per montare un modulo RTC (vedi paragrafo dedicato). Non sono presenti resistenze di pull-up che vengono montate di norma sui moduli collegati (e dovrebbero essere presenti/lasciate su uno solo).

J12

Rende disponibili i segnali della seconda interfaccia I²C (I2C1) oltre all'alimentazione a 3,3V.

J13

Ingresso per il sensore IR per telecomandi. Attenzione alcuni sensori richiedono, per un corretto funzionamento, la presenza di un condensatore sull'alimentazione vicino ai pin (vedere datasheet).

J14

Sono presenti i segnali della seriale /dev/ttyS2 con la linea RTS che può essere utilizzata per pilotare i driver RS485. Sono inoltre presenti le alimentazioni a 3,3 e 5 V. I segnali sono TTL a 3,3V.

J15

Sono presenti i segnali della seriale /dev/ttyS1, solo RX e TX con alimentazione 3,3V. Il modulo Orange Pi Zero non fornisce i segnali RTS/CTS per questa seriale.

J16

Rende disponibili i pin GPIO 6, 10 e 3. GPIO3 è utilizzabile come CTS per la seriale ttyS2. Se utilizzato l'ingresso optoisolato ovviamente il relativo pin non è utilizzabile separatamente. Se utilizzato il cicalino GPIO 10 non è utilizzabile.

J17

Connettore che riporta i pin SPI in uscita che uso per alimentare i display a LED. È facilmente modificabile per avere tutti i segnali della SPI. Può essere sostituito con un connettore JST (J22) per rendere disponibile una terza seriale.

J18

Serve per il collegamento di sensori 1W come ad esempio i sensori di temperatura DS18B20. Presenta già il pull-up verso il positivo richiesto dagli stessi. Utilizza il GPIO 7. È necessario configurare di conseguenza l'Orange Pi Zero.

J19

Permette di collegare il pulsante di reset e/o la ripetizione del led di stato presenti sulla motherboard. Richiede di saldare due fili direttamente sulla scheda Orange Pi zero.

J20

Connettore per la batteria del RTC montato sulla motherboard. Va montata una batteria di quelle usate comunemente come batterie tampone sugli RTC dei portatili. La stess poi sarà alloggiata fra la motherboard e l'Orange Pi Zero.

J21

Ingresso dell'alimentazione POE. Richiede la rimozione di due resistenze sulla scheda Orange Pi Zero e il collegamento di due fili ad un estremo delle stesse.

J22

Può essere utilizzato in alternativa a J17 per rendere disponibili i segnali della seriale /dev/ttyS3 (con la linea RTS) con alimentazione a 5V, modificando lo stampato si può facilmente portare la tensione di alimentazione a 3,3V. I segnali sono TTL a 3,3V. La piedinatura è diversa da quella di J14.

Varianti

Il circuito è essenzialmente modulare ovvero si montano solo le sezioni che interessano, nel caso dell'alimentazione ci sono due circuiti che sono da usare uno in alternativa all'altro. Al momento ho utilizzato tutti i circuiti presenti sullo stampato (e ho già provato un paio di estensioni), ma non ho mai montato una scheda con tutti i circuiti in quanto non ne avevo la necessità, anche se sarebbe possibile.

Alimentazione in continua

L'alimentazione va collegata sui morsetti 1 (positivo) e 2 del connettore J3. Attenzione non è prevista una protezione contro le inversioni di polarità. Io ho alimentato il circuito con 12V o 24V ma in teoria il campo delle tensioni accettate sarebbe da 7V a 28V. Non vanno installati i componenti relativi all'alimentazione POE ovvero D6, U9, C9, J21.

Alimentazione POE

Non va installato il modulo DC/DC U1 e il LED che indica la presenza di alimentazione va collegato ai 5V chiudendo il jumper JP4 2-3. In linea di massima il jumper JP4 1-2 può rimanere chiuso. L'Orange Pi zero va modificato togliendo un paio di resistenze e collegando al posto delle stesse un paio di fili che andranno al connettore J21. Il mio switch alimenta il circuito solo collegandosi ai fili che portano il segnale. Per i fili inutilizzati ci sono un altro paio di resistenze ma dovete provare col vostro switch.

Non ho utilizzato l'ingresso microfono del citofono con questa soluzione di alimentazione.

Prese USB

Sullo stampato sono presenti 3 prese USB verticali. Le prime due J4 e J5 sono collegate ai relativi pin presenti sul connettore J2. La terza J6 invece è disponibile per essere collegata alla micro USB OTG presente sull'Orange PI Zero (è necessario abilitarla). In questa maniera è possibile sfruttare tutte le 4 porte USB disponibili sul SBC. Se non trovate i USBLC6-2SC6 potete sostituirli con dei ponticelli perdendo ovviamente la protezione che offrono.

Real Time Clock

Per il RTC ci sono due opzioni.

Modulo RTC

Potete utilizzare uno dei moduli pensati per il Raspberry Pi basati sul DS3231 che si reperiscono in rete. In questo caso sostituite il connettore J11 con uno strip line maschio 1x05 su cui inserirete il modulo,

In alternativa è possibile montare l'integrato sul circuito stampato utilizzando una batteria di quelle pensate per l'RTC dei portatili per alimentarlo. In questo caso consiglio una modifica allo stampato,ovvero interrompere le piste di massa ai lati e al centro lasciando solo quelle alle estremità. Questo renderà molto più facile la saldatura riducendo le dispersione di calore.

In entrambi i casi è necessario caricare degli overlay per abilitare la lettura del RTC. Nella pagina dedicata trovate le istruzioni per farlo su Armbian.

Ingresso microfono

Sullo stampato è presente il circuito che ho utilizzato per collegarci il posto esterno del mio citofono facendolo diventare un citofono VoIP. Al posto dell'optoisolatore è possibile montare un connettore JST XH (sui pin 3 e 4) per utilizzare una normale capsula microfonica a condensatore.