Raspberry Pi to seria komputerów, które w zawrotnym tempie zyskały popularność wśród wielu użytkowników na całym świecie. Stanowią one bardzo dobrej jakości narzędzie do wielu codziennych zadań takich jak programowanie aplikacji dla systemów wbudowanych, przeglądanie internetu, odtwarzanie treści multimedialnych, a także znakomicie sprawdzają się jako sterowniki rozmaitych aplikacji sprzętowych. Za pomocą pokładowej magistrali portów GPIO, większość modeli Raspberry Pi może współpracować z dedykowanymi nakładkami HAT. W artykule opisano charakterystyki modułów rozszerzeniowych HAT do Raspberry Pi, które szczególnie warto wybrać na początek przygody z tą platformą sprzętowo-programową, oraz takie, które oferują wiele praktycznych możliwości wykorzystania w projektach o zróżnicowanym stopniu rozbudowania.
Raspberry Pi PoE HAT
Funkcja zasilania Raspberry Pi przez Internet była jedną z tych najbardziej oczekiwanych przez użytkowników tej platformy. Możliwość dostępu do Internetu przy jednoczesnym dostarczaniu energii elektrycznej do “malinki” za pomocą pojedynczego przewodu może okazać się wysoce praktyczną zaletą, zwłaszcza, jeśli komputer będzie używany w sposób niestacjonarny. Ponadto dla modelu Pi 3B+ oraz 4B, na płytce znajdują się dodatkowe cztery wyprowadzenia w sekcji GPIO, dzięki którym można korzystać ze wszystkich możliwości, jakie oferuje nakładka PoE. Nakładka PoE w swojej konstrukcji wykorzystuje niewielki, specjalnie zaprojektowany transformator separacyjny, który zamienia napięcie poziomu Ethernet, tj. od 37VDC do 57VDC na napięcie 5VDC, bezpieczne dla Raspberry Pi. Z uwagi na to, że transformator separacyjny nie zajmuje dużo miejsca, projektanci wyposażyli ten moduł także w wentylator chłodzący. Dzięki temu nakładka PoE HAT stanowi znakomite uzupełnienie dla Raspberry Pi umożliwiając jego wykorzystanie w aplikacjach o charakterze przemysłowym. Znika problem prowadzenia osobnego zasilania do Raspberry Pi oraz zwiększona zostaje jego pewność działania i wydajność. Uzyskujemy to dzięki zastosowaniu chłodzenia z obiegiem wymuszonym przez wentylator.
ModMyPi Jam HAT
Wiele projektów, które użytkownicy Raspberry Pi biorą na warsztat na początku przygody z tym minikomputerem, wykorzystuje diody LED, przyciski i buzzery. Nakładka ModMyPi Jam HAT zawiera w sobie wszystkie te elementy rozmieszczone na niewielkiej płytce drukowanej kompatybilnej z Raspberry Pi. Znajduje się na niej sześć diod LED (czerwona, pomarańczowa i zielona – po dwie dla każdego z kolorów), dwa przyciski monostabilne oraz generator piezoelektryczny (buzzer). Płytka Jam HAT jest znakomitym rozwiązaniem dla każdego, kto stawia swoje pierwsze kroki w obsłudze sprzętowo-programowej Raspberry Pi i pozwala na poznanie zasad funkcjonowania przycisków jako podstawowego elementu wejściowego, oraz diod LED i buzzera jako podstawowych elementów wyjściowych. W oparciu o tę nakładkę możemy zbudować np. emulator sygnalizacji świetlnej sterowany przyciskami.
Pimoroni Breakout Garden HAT
Nakładka Breakout Garden HAT od Pimoroni to świetny sposób na rozwijanie projektów bez konieczności lutowania oraz podłączania dodatkowego, zbędnego oprzewodowania. W przeciwieństwie do systemów modularnych wykorzystujących do wzajemnej komunikacji system przewodów i złączy, w nakładce Pimoroni Breakout Garden HAT wystarczy podłączyć do małych gniazd niewielkie dedykowane moduły współpracujące umieszczone na płytkach PCB i można natychmiast rozpocząć korzystanie z aplikacji. Pośród tych modułów znajdują się m.in. kamera termowizyjna, mały wyświetlacz czy czujniki pomiarowe. Nakładka jest wyposażona w zabezpieczenie przed napięciem zasilającym o wstecznej biegunowości. Niezależnie od tego, którego gniazda używasz w płytce na potrzeby swojej aplikacji, oprogramowanie automatycznie rozpozna rodzaj modułu podłączonego w gniazdo za pośrednictwem magistrali I2C, nawet gdy zostaną podłączone w odwrotny sposób. W zestawie znajduje się listwa goldpinowa z dwudziestoma wyprowadzeniami, którą można przylutować do portów GPIO nakładki.
HiFiBerry DAC+ ADC
Na rynku jest wiele dostępnych nakładek HAT typu audio, które zawierają na pokładzie przetwornik cyfrowo-analogowy i do nich zalicza się także nakłada od HiFiBerry. Z małą, ale jednocześnie wielką różnicą względem innych nakładek audio – posiada ona także przetwornik analogowo-cyfrowy, dzięki czemu umożliwia także wprowadzanie i przetwarzanie sygnału podawanego na wejście, co pozwala realizować nagrywanie lub przetwarzanie wprowadzanego sygnału audio. Nakładka ta bardzo dobrze sprawdzi się przy realizowaniu domowych produkcji muzycznych oraz nagrywaniu podcastów. Konfiguracja sprzętowa nakładki DAC+ ADC jest bardzo prosta, ale wymaga zainstalowania systemu Linux 4.18.12 kernel, aby można było używać pokładowego przetwornika ADC. Kompletna dokumentacja wraz z instrukcją instalacji jest dostępna na stronie producenta. Przetwornik DAC Burr-Brown PCM5122 sprawdził się wyśmienicie w innych sprzętach komputerowych audio i oferuje bardzo dobrą jakość odtwarzania plików dźwiękowych. Sygnał wyjściowy z przetwornika jest przepuszczany przez wzmacniacz wyjściowy i podawany na wyjście stereo zakończone złączami typu RCA. Natomiast pokładowy przetwornik ADC, to Burr-Brown PCM1861. Sygnał jest podawany na wejście analogowe typu TRS 3,5mm, do którego można podłączyć sygnał audio z odtwarzacza MP3, telefonu bądź innego sprzętu audio wyposażonego w wyjście liniowe. Dzięki temu nakładka od HiFiBerry może być pomocnym narzędziem do odtwarzania muzyki na imprezach, przy nagrywaniu swoich pomysłów muzycznych oraz jako platforma do obróbki dźwięku z zastosowaniem nakładania efektów takich jak pogłos czy przester.
Pimoroni Unicorn HAT HD
Nakładka ta, umożliwia tworzenie rozmaitych animacji, a także wyświetlania filmów i fotografii o niskiej rozdzielczości. W zestawie znajduje się listwa goldpinowa, zamontowana fabrycznie do wyprowadzeń GPIO nakładki, dzięki czemu nie ma konieczności lutowania. Na matrycę LED należy zamontować dyfuzor, za pomocą elementów montażowych dostarczonych w zestawie. Dyfuzor wprowadza potężną różnicę w końcowym efekcie wizualnym, ponieważ specjalnie rozprasza światło z matrycy tak, aby nie było widać linii oddzielających poszczególne diody LED względem siebie. Stopień rozmywania światła jest regulowany poprzez regulację wysokości dyfuzora względem matrycy LED. Komunikacja nakładki z Raspberry Pi odbywa się pomocą interfejsu SPI, za który odpowiadają cztery wyprowadzenia GPIO, łącznie z tymi odpowiedzialnymi za zasilanie. Nakładka wykorzystuje swój własny procesor ARM STM32F, który posiada wysoką moc obliczeniową niezbędną do współpracy Raspberry Pi z potrójny sterownikiem diod LED. Dzięki temu, nie powstają opóźnienia podczas wymiany danych między nakładką a Raspberry Pi. W pamięci zainstalowanej na nakładce, jest wgrany plik wideo o niskiej rozdzielczości, który ukazuje przykładowy obraz nagrany za pomocą modułu kamery (podłączanej w Raspberry Pi do złącza CSI), a także przykładowe animacje demonstracyjne z efektami wizualnymi. Nakładka Unicorn HAT HD, jest wyposażona w specjalną bibliotekę Python, która obejmuje funkcje umożliwiające ustawienie jasności świecenia matrycy i innych jej parametrów. Istnieje także program Unicorn Paint, który umożliwia wysyłanie rysunków do nakładki poprzez przeglądarkę internetową. Dzięki zastosowaniu niezależnego procesora, możliwe jest bezproblemowe podłączenie kilku nakładek Unicro HAT HD do pojedynczego komputera Raspberry Pi.
Pimoroni Piano HAT
Najnowsza odsłona nakładki bazującej na projekcie Pi Piano wykorzystuje interfejs pojemnościowych przycisków dotykowych imitujących pojedynczą oktawę klawiatury pianina, tj. 13 klawiszy – od C do C oktawę wyższego. Nakładka ma wymiary 64mm x 56mm i jest kompatybilna z najwyższymi modelami komputerów Raspberry Pi z serii Pi 2, Pi 3A+, Pi 3B+ oraz Pi 4B. Standardowo w tym celu, jak przypadło na nakładki HAT, na płytce drukowanej znajduje się 40-pinowe złącze GPIO. Na przednim panelu obok klawiatury są umieszczone przyciski, za pomocą których możemy sterować zmianą zakresu częstotliwości dźwięków klawiatury (“oktawa w górę”/”oktawa w dół”), a także zmieniać presety brzmieniowe. Oprogramowanie nakładki Piano HAT zostało wykonane w środowisku Python, które może wykorzystywać inne istniejące już projekty programów napisanych pod tę nakładkę. W pamięci nakładki został wgrany program, który za pomocą migających diod LED ma za zadanie nauczyć użytkownika, jak zagrać proste melodie. Używając tej fabrycznej biblioteki, użytkownik może również samemu napisać swoją własną instrukcję zagrania dowolnego utworu. Konstrukcja nakładki wspiera również możliwość współpracy z instrumentami muzycznymi wykorzystującymi protokół MIDI.
4tronix RoboHAT
RoboHAT od 4Tronix to mały sterownik robotów o wielkich możliwościach, który jest większym bratem modelu Picon Zero. Nakładka jest przystosowana do współpracy ze wszystkimi modelami minikomputera Raspberry Pi, które standardowo są wyposażone w 40-pinowe złącze GPIO. Podobnie jak w przypadku Picon Zero, również RoboHAT odznacza się wysoką funkcjonalnością dzięki dużej ilości wyprowadzeń wejść, wyjść i złączy sterujących dla robotów. Wszystkie komponenty są fabrycznie przylutowane na wysokiej jakości płytce PCB, dzięki czemu możemy bardzo szybko podłączyć nakładkę do Raspberry Pi zaraz po jej wyjęciu z pudełka. Ponadto, pośród złączy obecnych na płytce, znajdują się także złącza śrubowe typu ARK, do podłączenia źródła napięcia zasilania oraz dwóch silników prądu stałego. Płytka zawiera także zestaw wyprowadzeń niezbędnych do podłączenia ultradźwiękowego czujnika odległości oraz dodatkowe dziesięć portów wejścia/wyjścia dla komunikacji przez interfejs I2C. Jeśli nie używamy zasilania nakładki poprzez złącze ARK, możemy zasilanie podłączyć także przez gniazdo DC 2,5mm/5,5mm. Wymagane napięcie wyjściowe zasilacza wynosi od 7V do 11V. Producent dostarcza szereg wielu praktycznych programów i skryptów w Pythonie oraz skorelowane z nimi niezbędne instrukcje i przykłady, które ułatwiają zaprogramowanie nakładki, np. za pomocą dedykowanej biblioteki robohat.forward(), robot wyposażony w nakładkę RoboHAT będzie mógł wykonywać jazdę do przodu. Nakładka znakomicie współpracuje z Raspberry Pi oraz wieloma modułami i elementami popularnymi wśród budowniczych robotów i umożliwia szybkie prototypowanie wielu ciekawych projektów. Jest to także znakomita propozycja dla wszystkich osób, które zaczynają swoją przygodę z robotyką i chcą nauczyć się jej praktycznych podstaw łącząc przyjemne z pożytecznym.
Pimoroni Mote pHAT
Wyposażona w 16 bardzo mocno świecących diod LED RGB nakładka Mote pHAT, stanowi znakomite rozwiązanie jako miniaturowe oświetlenie szafki bądź jako dodatkowe, nocne oświetlenie pokoju dodające nastrojowego klimatu, a także jako źródło świetlnych efektów specjalnych. Nakładka ma niewielkie wymiary i jest kompatybilna z Raspberry Pi Zero. W zestawie znajduje się żeńskie złącze GPIO, które należy przylutować do płytki PCB. Dzięki temu rozwiązaniu, dostajemy możliwość podłączenia większej ilości nakładek pod pojedynczą jednostkę bazową Raspberry Pi, tworząc bardziej rozbudowany projekt aplikacji. Wbudowany kontroler umożliwia niezależną komunikację nakładki z listwami LED sticks, za pośrednictwem czterech portów USB. Producent dostarcza dedykowaną bibliotekę w środowisku Python wraz z kilkoma przykładowymi programami do sterowania listwami oświetleniowymi LED sticks, takie jak efekt tęczopodobny, mieszanie kolorów oraz aplikacja CheerLights umożliwiająca sterowanie listwami LED sticks przez internet. Dedykowane biblioteki są proste w użyciu i umożliwiają precyzyjne ustawienie koloru świecenia na każdym kanale z osobna. Listwy LED sticks oraz przewody połączeniowe są do nabycia osobno.
Adafruit Mini Kit TB6612
Za pomocą nakładki z zestawu Mini Kit od Adafruit, można sterować maksymalnie czterema silnikami prądu stałego lub maksymalnie dwoma silnikami krokowymi, poprzez sterowanie ich prędkością poprzez kanały PWM. Nakładka jest kompatybilna z wyprowadzeniami GPIO w Raspberry Pi. Układ sterowania na nakładce, umożliwia pełną kontrolę nad prędkością obrotową oraz kierunkiem obracania się wirników silników sterowanych. Sterowanie odbywa się poprzez interfejs I2C. Łącznie za pomocą portów GPIO, możemy połączyć do 32 nakładek, w celu zaprzęgnięcia do pracy równoległej, co daje możliwość jednoczesnego sterowania w czasie rzeczywistym do 64 silników krokowych lub do 128 ,,zwykłych” silników DC. Jako osprzęt sterujący, nakładka wykorzystuje dwa układy scalone TB6612 oparte o tranzystory MOSFET i szybkie diody pracujące w topologii flyback, które wykazują maksymalną ciągłą wydajność prądową do 1,2A na pojedynczy kanał, oraz 3,0A przez ok. 20ms. Na płytce znajduje się także zabezpieczenie przed podaniem napięcia zasilania o wstecznej biegunowości oraz niewielki obszar z polami lutowniczymi z myślą o prototypowaniu. W zestawie znajdują się złącza, które wystarczy przylutować do nakładki.
Adafruit Capacitive Touch HAT
Nakładka Capacitive Touch od Adafruit, można zbudować ciekawe projekty o charakterze interaktywnym. Moduł jest wyposażony w dwanaście wejść zintegrowanych z pojemnościowymi czujnikami dotykowymi. Poprzez przewody z klipsami krokodylkowymi, do nakładki można podłączyć rozmaite przedmioty wykazujące dobre właściwości pod kątem przewodnictwa elektrycznego, które pod wpływem dotyku człowieka lub zwierzęcia, będą mogły być wykorzystane jako źródło sygnału sterującego, uruchamiając w ten sposób programowo zaimplementowany proces, np. załączenie oświetlenia lub wentylacji, lub bardziej wymyślnie – pianino z klawiaturą, w której funkcję klawiszy pełnią…owoce! Od strony programowej, do odczytu stanów wejść nakładki, dostarczana jest prosta w użyciu biblioteka w środowisku Python.
SparkFun RELAYplate
Nakładka RELAYplate z serii Pi-Plates od SparkFun to pierwszy moduł przekaźnikowy dedykowany pod mikrokomputery Raspberry Pi. Na płytce, znajduje się siedem przekaźników elektromechanicznych o konfiguracji styków roboczych SPST-NO (przekaźnik ze stykiem jednobiegunowym jednopozycyjnym, z obwodem roboczym otwartym w stanie beznapięciowym). Każdy przekaźnik może być zasilany napięciem przemiennym o wartości 120V lub napięciem stałym o wartości 30V i obsługiwać obwody o maksymalnym poborze prądu do 1A. Stan położenia styków każdego z przekaźników jest sygnalizowany za pomocą pokładowych diod LED. Maksymalnie można połączyć do ośmiu płytek w jednym systemie, umożliwiając w ten sposób obsługę 56 przekaźników jednocześnie. Nakładkę można również połączyć kaskadowo z nakładkami DAQCplate oraz MOTORplate, tworząc rozbudowany system sterowania. Magistrala GPIO ma rozkład wyprowadzeń kompatybilny z minikomputerami Raspberry Pi 2B+, Pi 3B+ oraz Pi 4B. W zestawie znajduje się także osłona izolacyjna przekaźników zabezpieczająca przed dotknięciem elementów nakładki, które mogą znaleźć się pod napięciem przekraczającym wartość bezpieczną.
Podsumowanie
Opisane w artykule moduły nakładek rozszerzeniowych do Raspberry Pi są subiektywnym wyborem autora i stanowią jedynie wierzchołek góry lodowej pośród bardzo dużej ilości nakładek o rozmaitym zastosowaniu, które są dostępne w sprzedaży. Niezależnie od przeznaczenia naszego projektu oraz jego stopnia rozbudowania musimy dokonać właściwego wyboru patrząc w pierwszej kolejności na wymagania sprzętowe, jakie projekt musi spełnić, np. liczba niezbędnych wejść/wyjść do obsługi układów peryferyjnych. Zaprezentowane moduły HAT można wykorzystać na wiele sposobów, a ponieważ projekt komputera Raspberry Pi jest w dalszym ciągu rozwijany także pod kątem mocy obliczeniowej, z pewnością w przyszłości będą na rynku ukazywały się kolejne nakładki, za pomocą których będzie można tworzyć aplikacje przeznaczone do jeszcze bardziej wymagających zadań.
