荔枝派Zero: 震惊!从未见过如此精思巧构之Pi!

缘起

去年仲夏之夜,我吃着荔枝DIY了荔枝派One。 One的众筹和生产过程可谓万分曲折,不过整个流程经历下来也让我更清楚怎样的Pi才是一块好Pi。

笔者是业余时间将项目中使用过的主控芯片部分电路抽出,重新设计布局而成荔枝派系列板卡,时间并不充分,但是提供qq群与论坛供大家交流整理资料;
希望初次学习linux使用的朋友能够钻研在使用中遇到的问题并与大家交流分享,而不要当伸手党,真正的linux大神不是伸手伸出来的,也不是培训班里培训出来的,而是自己踩坑踩出来的。

荔枝派Zero从去年年末开始构思,设计目标就是一块满足创客和嵌入式工程师一切美好设想的Pi:

低成本,小体积,高性能,易使用,多扩展。

(~$6;~45x26mm,略长于SD卡;24MHz~1.2GHz;多种开发语言,直插面包板,同时全引脚邮票孔引出;多种外设模块)

目标应用场景是:

  • 使用较复杂的通信接口和协议的物联网应用
  • 需要较美观,复杂逻辑的人机交互界面的应用
  • 需要较多运算(相对于常用MCU)的应用场景
  • 需要使用linux下的开源软件进行快速开发的场景
  • 高端极客玩家,在体积、性能、易用性 上取得平衡。
  • 入门级玩家,软件工程师,使用熟悉的语言进行硬件diy。

初识

荔枝派Zero基于Allwinner V3s (ARM Cortex-A7 CPU, 1.2GHz, 512Mbit DDR2 integrated), 可从板载SPI Nor Flash(SOP8 16MB / WSON8 32MB) 或者 TF卡启动。

Zero采用了巧妙的引脚引出设计:

  • 兼容常用的2.54mm插针,甚至可以 直插面包板 使用;
  • 使用1.27mm邮票孔引出,可以 直接贴片 使用;
  • 1.27mm邮票孔也可以使用 2.54插针偏移半针位焊接 ,适合diy
  • 板载 FPC40接口 ,可以转接多种实用外设
  • 专为Zero设计的 TF wifi 模块,可插卡槽,也可直插2.54焊针。

荔枝派Zero 麻雀虽小五脏俱全,具备了常用的多种低速外设(UART,SPI,I2C,PWM,ADC),单片机上少有的高速接口它也有不少(OTG USB,MIPI CSI,EPHY,RGB LCD),还内置了CODEC(直接耳机麦克)~ Zero的引脚布局示意图如下:

“2.54mm Pinout”标识是可直接插入面包板或者使用标准杜邦线连接的。
“1.27mm”标识的是较为不常用或者不方便手工接线的引脚,一般在贴片时使用,或者也可以用2.54插针偏移半个针位使用。


话不多说,下面开始曝照!

由于以下样板由我手工焊接,难免有些焊接痕迹,焊得丑请轻喷,成品会用机贴的。

正面:从左往右为:RGB LED;主芯片;tf卡槽;LCD背光电路;micro usb otg。


背面:从左往右为:电阻屏控制器;DCDC芯片;预留的SPI flash接口,兼容SOP8和WSON8封装的SPI flash(16/32MB);FPC40接口。


正反面一起看:


插针引出演示:

直插面包板:双列插针间距900mil,可直插面包板!

应该是首款可直插面包板的Cortex-A7水果派~ 手残党的福音~

Zero的常用引脚使用2.54mm插针引出,如果想用到全部引脚,也不必像其它板子那样飞线,仍然可以用2.54插针和杜邦线搞定!

如下图所示,邮票孔是1.27mm间距,所以刚好可以间隔半个脚位焊上2.54mm插针,轻松使用杜邦线连接!


上面的高清大图看上去是不是觉得Zero比较大呢?没有比较就没有伤害,其实Zero只比SD卡长一点!

与SD卡一起比个子:


Zero默认运行主频高达1G(最高1.2G),你是否认为它功耗感人?

NONONO,其实它以1G主频跑起linux后的运行电流 和 STM32F4以168MHz主频全速运行的电流(93mA)差不多!

比STMF7全速运行于216MHz的电流(193mA)要低一半以上!

有图有真相:

再来看看Zero全速运行时的发热情况:

是的,仅有40度左右,略高于体温,比H3之流 动辄80℃+的CPU温度要让人安心多了,再也不用画蛇添足地给水果派加装散热片了~

这还是1GHz主频下的电流和发热情况,Zero可以在24MHz~1.2GHz之间以24MHz步进设置主频,如果你用24MHz或者48MHz当单片机用的话,那耗电还会低上不少!

细探

Zero除了核心板本身,还设计了一系列常用的外设以及配套底板用于功能验证,在此为您细细道来。

TF Wifi卡

IoT大行其道的今天,联网功能也必不可少。

Zero可使用Wifi,Ethernet连入网络,还在配套演示底板上集成了Lora模块,可用作Lora网关。

出于体积考虑,Zero核心板上并未加入wifi功能,但是我专为Zero设计了小巧的tf wifi 模块,可用多种方式与Zero叠加。

下图就是TF WiFi模块:

模块本身使用0.8mm厚度 PCB制成,与TF卡厚度(0.75mm)极为接近,可以直接插入TF卡槽!

注意到上图有一长一短模块,长模块是为常用的全槽TF卡槽兼容使用,短模块是为Zero上的半槽TF卡槽使用。

由于PCB仅有0.8mm厚,所以收到PCB后,只要使用剪刀沿白色丝印剪下,即可获得半槽使用的TF WiFi模块!

TF Wifi卡的多种使用方法:

直插板载卡槽

注意Zero默认使用TF卡启动,若要使用板子插槽接TF WiFi模块,则需要从SPI Flash启动。

2.54插针叠加

当使用TF卡作为启动介质而占用了板载TF卡槽时,仍可使用2.54插针轻松叠加使用!

Zero精心排布了2.54插针的引脚顺序,并在TF Wifi 模块上预留了相同顺序的2.54mm间距焊盘,因此可以直接使用2.54mm插针叠加!

*注意右侧刚好没有和FPC40的翻盖干涉,仍可使用座子外接屏幕等外设~ *

直插底板的TF卡槽

底板上也预留了TF卡槽,因此选购了底板的话可以直插底板上的卡槽。

底板其余部分先打码保持神秘感^_^

通用40P RGB液晶屏

Zero采用了和One兼容的通用40P RGB液晶屏(含触摸屏),并且板载了电阻屏控制器,支持触控操作。之前买了One的液晶屏套餐的可复用之前的液晶屏。

下图是5寸 480x800高清液晶屏,另有480x272的4.3寸普清液晶屏。

RGB转VGA模块

去年年中以来,液晶屏价格暴涨,如果无法接受目前液晶屏价格的话,可以选择RGB转VGA模块,可接普通显示器使用。

RGB转HDMI模块

如果你的显示器没有VGA接口(土豪高端显示器),可选用RGB转HDMI模块,该模块可直插HDMI显示器。

注意:截止发稿时,笔者还没时间搞这模块的驱动,该驱动列入开发者奖励计划(详见后文)。

RGB转LVDS模块

如果你手中有闲置的笔记本显示屏(非高清,1280x800, 1366x768或更低分辨率),则可选购该模块。注意笔记本屏幕一般需要额外的LED背光电源供电。

该模块支持单八,单六 LVDS屏;正面FPC座为单八接口,背面为单六接口。

如果你手头没有闲置笔记本液晶屏,又想尝试大屏,众筹套餐中提供了10.1寸LVDS平板屏幕,1280x800分辨率,内置led恒流升压驱动电路。

RGB转DVP CSI模块

Zero的DVP CSI接口引脚和RGB引脚复用,所以之前购买了One的摄像头的用户,可以使用此转接板转接原DVP接口的24Pin摄像头(OV7670,OV2640等)。

注意:截止发稿时,笔者还没时间搞改摄像头驱动,该驱动列入开发者奖励计划(详见后文)。

RGB转GPIO模块

如果你没用到LCD屏,又需要很多IO,则可以使用该RGB转GPIO模块,它将转出22个GPIO,以及两路ADC(使用电阻屏驱动器),和若干电源引脚。

添翼

前面介绍的模块主要是FPC40的转接板,对于Zero上1.27邮票孔引出的其它引脚,除了可以用2.54插针偏移半位焊接引出外,也可使用配套底板(Docker)直接贴片上去,更加紧凑,也方便验证、使用各个高速接口。

Docker布局概览:


实物图镇楼:


底板左下方有两三排插针,分别是I2C,SPI,UART,PWM的引出插针。

右下方有四个功能按键,是使用Zero的ADC功能实现的。

右侧为usb供电口,电池接口,USB OTG口;底板的电源电路支持单节锂电池的充放电管理,以及5V升压。

右上方为内置网络变压器的RJ45接口。

注意到RJ45接口较高,体积较大,所以默认不焊接上去,只附上该座子,有需要验证以太网口的朋友可自行焊接;需要DIY掌上设备的朋友可留空该座来减小底板体积。

底板上方为美标四线耳机座和高灵敏度麦克风。

底板下方配有一个24pin MIPI的摄像头座,座子为b2b连接器(axe624124)。 配套的是500W像素自动对焦的OV5648摄像头。

注意:截止发稿时,笔者还没时间搞这模块的驱动,该驱动列入开发者奖励计划(详见后文)。该摄像头在官方SDK里有驱动,但尚未在主线内核中适配。

底板的功放模块

Zero自带CODEC,但自带的CODEC只能推动耳机,所以底板上贴的是耳机座。

考虑到用Zero做WiFi音箱或者其它自带扬声器发声的设备(如掌机?),底板上预留了功放模块的接口,即TF卡槽后面的5pin 排母。

在该接口上可堆叠PA模块,如下图所示

PA模块可带动3W*2个扬声器,并自带音量旋钮,适合做一些手持设备。

以下是可选配的扬声器:

也可搭配骨传导扬声器!可做骨传导耳机或者振动音箱~

底板的显示模块

底板下方有一排2.54排座,可用于插接I2C接口的OLED或者SPI接口的TFT。

0.96寸128x64 OLED:

1.3寸128x64 OLED:

2.4寸 240x320 TFT:

底板的输入设备

底板的输入除了四个ADC做的功能按键外,还可选配下小手柄/键盘。

手柄与2.4寸屏幕搭配食用风味更佳 /斜眼笑

底板的通信接口

底板上有三个通信接口,分别是TF Wifi卡接口,RJ45 以太网接口,和Lora模块接口。


前面介绍的TF Wifi卡插底板的示意图:


底板背面的Lora模块示意图:

Lora模块本身可以全双工,但是Zero作为网关使用时,底部Lora模块配置为一发一收,可以显著降低丢包率。

Lora网关的相关参数为:

  1. 星形拓扑,空旷通信距离15km
  2. xxx

底板的语音助手外设

底板的耳机口可外接麦克风阵列模块,实现远场语音识别(声源单位,波束成型),阵列模块自带关键词唤醒功能。

麦克风阵列模块默认搭配高灵敏度驻极体麦克风,可选配硅麦克(一致性好)

麦克风阵列的主要参数为:

  1. 板载6颗驻极体/硅麦克,24颗LED,可选配OLED
  2. 声源定位精度优于15°,板上LED或者OLED指示方位
  3. 消除混响,500ms以内室内混响
  4. 波束成形,可指定6方位波束成形,具有噪声抑制和语音增强功能,室内环境下语音识别距离约5m。
  5. 关键词唤醒,可设定自定义关键词唤醒(使用拼音配置,方便快捷,无需上传服务器计算特征码),引脚输出唤醒边沿。
  6. 一路模拟音频输出,一路I2S数字音频输出。
  7. 可使用I2C/UART配置模块参数,读取信息(声源角度等)

惊艳

Zero核心板或者配套底板还可选配无线键鼠与锂电池,搭配定制的LCD转轴支架,简单组装即成一台迷你笔记本!

注:Zero底板具有锂电池充放电管理功能;Zero核心板不可直接给锂电池充电。

使用Zero核心板制作的简易“笔记本电脑”,只需一块电池,一个屏幕,一个无线键鼠。

Zero开启debian桌面系统

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Zero畅玩经典游戏DOOM!


荔枝派Zero还可以运行树莓派系统!原来你是披着树莓皮的的荔枝派!

注:Zero由于内存限制,运行树莓派系统会较为卡顿。

开启键盘夜光的靓图!是不是有大牌范呢?

详情还可戳 视频演示 欣赏喔~

未完待续

配件全家福(貌似还漏了个别配件)