Pizula: A primeira placa de expansão do EverPi

É com alegria que apresento nossa primeira placa de expansão para Raspberry Pi, uma das primeiras do Brasil, a Pizula.

História da Pizula, uma das primeiras expansões brasileiras para Raspberry Pi

Foi difícil manter o segredo já que faz alguns meses que a placa foi desenvolvida. Em meados de setembro recebi 10 PCBs sem componentes. No post de 2 anos do EverPi eu quase deixei escapar uma dica, que acabei apagando posteriormente. A ideia era realmente ser uma surpresa.

Frente e verso da PCB

Seis das dez unidades, frente

Seis das dez unidades, verso

A Pizula nasceu como um teste inicial, a ideia era ter algo diferente para sortear na próxima Campus Party, uma placa de expansão própria do EverPi.

A ideia de criar uma expansão própria do nosso blog já existe faz tempo. Em meados de julho nasceu em projeto a primeira versão (v0.1) da placa que estava terminada no fim do mesmo mês. Essa versão não foi construída efetivamente devido ao formato e dimensões que não seriam adequados à minha proposta posterior.

Em agosto a versão 0.2 (atual) foi desenvolvida. No meio do mês o projeto da PCB estava completo e já no fornecedor. Segue algumas fotos:

A expansão é em parte artesanal, soldada manualmente no laboratório do EverPi (Brasil) :).

Para que serve a expansão Pizula para Raspberry Pi

Como teste inicial, resolvi desenvolver algo simples, com componentes comuns (não SMD) mas que ao mesmo tempo fosse útil.

A Pizula é inicialmente uma placa específica com um transistor para controlar a velocidade do cooler usado em cases de acrílico (e outros, mas explico posteriormente). A grande sacada e vantagem da placa é que ela foi feita sob medida para encaixar em um Raspberry Pi já com case que utilize cooler. Ideal para quem não quer fazer gambiarras ou mexer com soldas.

A placa pode ser usada também para outros fins, controlar motores DC (em um sentido) ou algumas outras cargas até o limite da especificação. O diodo de proteção foi colocado para o uso de cargas indutivas. O circuito base é simples, parecido com o encontrado no post: Como conectar um cooler (ou outro motor) e controlar sua velocidade com base na temperatura do Raspberry Pi.

A placa contém também um receptor IR (infravermelho) de 3 pinos (já com amplificador embutido), sendo possível utilizar controles remotos, ótimo para media centers.

Especificações

- Suporta cargas de até 450mA (Não ultrapassar 200mA em modelos antigos, ver abaixo).
- Receptor infravermelho VS1838B
- PCB de fibra de vidro (FR-4) de 1,6mm
- Dimensões (totais, com conectores): 14,5mm (altura) x 40,6mm x 15,8mm
- Peso: 3,9g
- Compatível com o Raspberry Pi Modelo A,B,B+,A+,2B

Questões quanto as dimensões

Os cases para Raspberry Pi são feitos em uma grande variedade de materiais e tamanhos. Os testes da expansão foram realizados inicialmente em um case de acrílico com cooler para Raspberry Pi 2 e B+ que está entre os mais utilizados. Mesmo os cases de acrílico podem sofrer algumas variações nas dimensões dependendo do fabricante. Um exemplo é o case para Raspberry Pi A+ que é mais baixo devido a placa não ter conectores tão altos. Para que a expansão Pizula consiga encaixar de forma satisfatória em caso da utilização de outros cases é necessário que esteja de acordo com o mínimo das dimensões. É claro que existe a possibilidade de parafusar o cooler por fora do case.

No case de acrílico que utilizei a única modificação que precisou ser feita foi fixar o cooler com somente 3 parafusos, pois o parafuso no sentido do conector era um obstáculo. É possível sim conectar com ele, mas será necessário entornar os pinos um pouco em ângulo. Como 3 parafusos são capazes de fixar bem o cooler não há necessidade de modificações na expansão.

No case abaixo com um Raspberry Pi Modelo B a expansão também encaixou perfeitamente apesar de não haver cooler.

Como dito nas especificações, a placa é compatível com vários modelos de Raspberry Pi, acima podemos ver o antigo modelo B, abaixo o B+ e A+.

Como utilizar a expansão Pizula

Para utilização com cooler a ligação de polaridade deverá ser obedecida, onde vermelho geralmente é o fio VCC e preto GND. Há marcações abaixo da placa Pizula identificando os pinos. Após a conexão devida no Raspberry Pi com a placa desligada, basta ligar e instalar o software fan_pi como explicado na seção Como controlar o cooler com base na temperatura do Raspberry Pi desse outro post.

O sensor infravermelho será matéria de um post futuro dedicado ao assunto, mas utilizaremos o software de terceiros lirc. A utilização de controles que já existam na base de dados do software tornarão sua utilização mais fácil. Alguns que não existem e utilizarão o modo RAW podem não funcionar de forma satisfatória (como exemplo o controle de um aparelho de som que tenho).

Atualização: Os que seguirem algum tutorial sobre o lirc para Raspberry Pi, levem em conta que o IR da placa está ligado no GPIO14. O parâmetro gpio_in_pin=14 deve ser passado ao módulo lirc_rpi. O pino GPIO14 deve funcionar com o pull-up interno do Raspberry Pi. Embora eu tenha lido que nas versões atualizadas do módulo era aceito o parâmetro gpio_in_pull=up, este não fez efeito em meus testes, algo que irei investigar. Enquanto isso você poderá ativar manualmente o pull-up utilizando a tool gpio da biblioteca wiringPi, com o comando: gpio mode 15 up (o número 15 na wiringpi é referente ao GPIO14). Desative o console serial ttyAMA0. É bom deixar claro que existem controles que utilizam protocolos e frequências diferentes de transmissão. Esse foi provavelmente o caso do controle do som acima que citei, onde não foi possível para o lirc decodificar a transmissão, enquanto outros 3 funcionaram. Todas as placas atuais soldadas foram testadas com ao menos um controle.

Atualização 2: Veja como conectar um sensor infravermelho (IR) VS1838B ao Raspberry Pi e controlar o Kodi. O tutorial funciona também para a Pizula v0.2 levando em conta as devidas alterações do GPIO citadas.


O terceiro pino que está sem marcação era destinado a verificar o RPM do cooler, ele está desativado, um dos motivos é que a maioria dos coolers de 3cm x 3cm utilizados nesses cases não vem com pino do sensor HALL. Ele pode ser utilizado para outros fins caso alguém solde um ou dois resistors na placa. A configuração utilizando dois é de divisor de tensão.

Cuidados a se tomar e observações

O consumo da carga deve ser de no máximo 450mA (meu cooler por exemplo utiliza 200mA) quando ligado em 5V (tensão fornecida pelo Raspberry Pi, algumas cargas funcionam em uma variedade de tensões, mas não podem consumir uma corrente maior que a declarada quando ligada nessa tensão), no caso dos coolers geralmente o consumo vem declarado na parte de trás. Caso não tenha certeza do consumo dentro das condições de uso (um motor DC por exemplo), teste fora da placa com um multímetro a corrente consumida.

No caso de motores DC há outras questões envolvidas como a corrente de partida que é maior que a nominal, o transistor da placa é capaz de aguentar o pico de corrente em cerca de 800mA, que é realizado de forma rápida. Verifique as especificações do motor para corrente de partida ou travado. É bom lembrar que em caso de um motor DC travado, ele poderá consumir sua corrente de pico de forma constante, que caso for maior que 450mA poderá ocasionar a queima do transistor.

É preciso levar em consideração a fonte do Raspberry Pi que deverá ter corrente suficiente para a carga que será utilizada, no caso de um motor DC deverá ser levado em conta a corrente de pico. Se utilizar por exemplo uma fonte de 1A e 700mA (chutando alto, pois o consumo geralmente é bem abaixo disso) forem utilizados pela placa, sobrarão 300mA que será dividido entre a carga ligada na expansão e as portas USB.

Apesar da carga suportada pela placa ser 450mA, o limite da carga quando utilizado em um Raspberry Pi Modelo B (o modelo antigo) deve permanecer em no máximo 200mA (isso levando em conta que nada esteja ligado a USB). Essa limitação se dá por causa do limite total de corrente que o modelo antigo pode fornecer além de ter um polyfuse que se fecha entre 750mA e 1.1A. É possível ir além? É, mas corre o risco da placa ficar instável, reiniciar, etc.

Após o modelo B+ (que inclui aí o novo 2B) o sistema de energia da placa foi modificado, fornecendo uma corrente maior e tensão muito mais estável. Os 450mA de carga são possíveis de serem consumidos em um Raspberry Pi B+ ou 2B por exemplo desde que a fonte de alimentação seja dimensionada corretamente.

Em alguns testes preliminares, a queda de tensão e o ruído gerado pelos dois pequenos motores DC testados não foram suficientes para reiniciar a placa (Modelo B e 2B). Em um deles a corrente consumida travado é de cerca de 573mA. No caso do antigo modelo B, correntes com picos maiores podem gerar problemas devido as limitações citadas acima. O caso do dongle Wi-Fi que testei meses atrás é um exemplo, quando conectado a placa reiniciava, algo que não ocorre nos modelos mais novos (B+ e 2B).

Apesar da placa ser destinada inicialmente à conexão de coolers, a conexão de motores DC e outras cargas (levando em conta as limitações) podem ser úteis em alguns projetos. Dependendo do caso, como por exemplo o uso de motores mais potentes que dependam de uma fonte externa ou a necessidade da rotação nos dois sentidos, uma ponte H como a L298N poderá ser mais adequada.

No Raspberry Pi Modelo B e A a placa fica por cima de todos os pinos (embora não conectado a todos), dificultando um pouco o acesso. No modelo B+ em diante um pouco menos da metade fica acessível, como pode ser visto nas imagens acima.

Conclusão

A criação de uma expansão própria gera um outro marco importante para o EverPi.

Como citei no início do post, a expansão foi feita inicialmente para sortear na próxima Campus Party. Esse sorteio ainda não está confirmado pois dependemos do nosso representante no evento para entregar as placas. Caso ocorra, um post confirmando será feito, como ocorre nos últimos 2 anos. Provavelmente serão 2 ou 3 placas a serem sorteadas.

Caso houver interesse do público, a placa poderá ser comercializada, mas sem data predefinida.