Raspberry Pi - 扩展板

Raspberry Pi - 扩展板

Raspberry Pi 的 GPIO（通用输入/输出）引脚使其能够连接到庞大的扩展板生态系统。这些扩展板扩展了 Pi 的功能，提供了用于传感器、显示器、电机控制、音频处理等的预制电路。许多供应商生产这些扩展板，通常会提供库和示例代码（通常使用 Python）来简化使用。

扩展板的类别

扩展板通常根据其连接和与 Pi 交互的方式分为几类：

• Breakout Boards：简单的板，用于将特定组件（如单个传感器或驱动芯片）更容易地连接到 Pi 的 GPIO 引脚，通常通过跳线或排线连接。
• pHATs/Bonnets：较小的板，设计用于整齐地安装在 Raspberry Pi Zero 型号顶部，通常连接到全部或部分 GPIO 引脚。
• HATs (Hardware Attached on Top)：标准 Raspberry Pi 型号（如 Pi 4 或 Pi 3）最常见的外形尺寸。这些板符合特定的物理尺寸，并直接插到整个 40 针 GPIO 排针上。官方 HAT 规格还包含一个 EEPROM 芯片，允许 Raspberry Pi OS 在启动时自动识别板并配置必要的驱动程序或软件，从而简化设置。

流行的扩展板示例

扩展板的种类不断增加。以下是一些代表不同功能的流行示例：

Sense HAT

Sense HAT 最初是为国际空间站的 Astro Pi 任务设计的，现在仍然是初学者和教育者的热门选择。它集成了各种传感器和输出，非常适合环境传感和简单的数据可视化项目。

Sense HAT 的主要特性：

• 一个 8x8 RGB LED 矩阵，用于显示图案、文本或数据。
• 一个用于用户输入的 5 向摇杆。
• 用于测量温度、压力、湿度的传感器。
• 一个惯性测量单元（IMU），包括加速度计、陀螺仪和磁力计，用于检测运动、方向和磁场。
• 一个提供良好支持的 Python 库（sense-hat），便于与所有功能交互。

实际应用：创建一个天气站，在 LED 矩阵上显示温度和湿度，或一个由摇杆和方向传感器控制的简单游戏。

示例（使用 sense-hat 库的 Python 代码）：

from sense_hat import SenseHat

sense = SenseHat()

temp = sense.get_temperature() # Read temperature in Celsius
sense.show_message(f"Temp: {temp:.1f}C") # Scroll text on LED matrix

更多文档和项目可以在 Raspberry Pi Foundation 网站上找到：https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-the-sense-hat

电机驱动 HATs（例如，基于 DRV8833 的）

由于更高的电流需求，直接从 Pi 的 GPIO 引脚控制直流电机可能会损坏 Pi。电机驱动 HATs 提供必要的电路（如 H 桥）来安全地控制多个电机的速度和方向，这对于机器人项目至关重要。

常见特性：

• 支持控制两个或更多直流电机。
• 能够控制电机速度（使用 PWM）和方向。
• 通常包括独立的电机电源输入。
• 由供应商提供的 Python 库（例如，用于 Adafruit 或 Pimoroni 的板）或可以使用通用的 PWM 库（如 gpiozero）来控制。

实际应用：构建一个小型轮式机器人，能够前进、后退和转弯。

示例（使用 gpiozero 的概念性 Python 代码）：

from gpiozero import Motor

# Assuming motor connected to GPIO pins 17, 18
# 假设电机连接到 GPIO 引脚 17, 18
motor_left = Motor(forward=17, backward=18)

# Move forward at half speed
# 以一半速度前进
motor_left.forward(speed=0.5)

# Stop the motor
# 停止电机
motor_left.stop()

DAC（数模转换器）HATs

虽然 Raspberry Pi 通过其 3.5 毫米插孔或 HDMI 提供了基本的音频输出，但专业的音频爱好者通常使用 DAC HATs 来获得更高保真度的声音。这些板绕过 Pi 板载的音频处理，通过 GPIO 排针上的 I2S 音频协议引脚直接连接。

常见特性：

• 高质量音频输出芯片组。
• 标准的音频输出接口（RCA、3.5 毫米插孔）。
• 通常需要特定的软件配置（例如，在 Raspberry Pi OS 音频设置中选择 DAC，或使用专门的音频播放软件，如 Volumio 或 Moode Audio）。

实际应用：创建一个高保真网络音乐流媒体播放器或定制的音频播放设备。

配置通常涉及编辑 /boot/config.txt 文件，以覆盖特定 DAC HAT 的正确设备树 blob (dtoverlay)，并在操作系统音频设置中选择输出设备。

PoE（以太网供电）HAT

对于带有以太网端口的 Raspberry Pi 型号（如 Pi 3B+、Pi 4），官方的 PoE 和 PoE+ HATs 允许 Pi 直接通过以太网线缆供电，前提是连接到支持 PoE 的交换机或注入器。这消除了在 Pi 附近需要单独电源适配器的麻烦。

主要特性：

• 连接到兼容 Pi 型号上的 40 针排针和特定的 4 针 PoE 排针。
• 符合 PoE 标准（PoE 为 802.3af，PoE+ 为 802.3at）。
• 通常包括一个小风扇，用于冷却 Pi 和 HAT 的电源电路。

实际应用：在电源插座不方便但有以太网的地方部署 Raspberry Pi（例如，安防摄像头、传感器节点、信息显示屏）。