Miniportatil basado en una Raspberry Pi 3


 

Raspberry Pi es una computadora en miniatura que permite la realización de muchos proyectos  como podemos ver a largo de  este humilde  blog

Dado que  todas  las versiones disponibles comercialmente, se venden  directamente con la PCB , por tema de abaratar costos sin carcasa alguna, esta placa se presta en  integrarla en cualquier tipo de receptáculo  casero que se nos ocurra.

Como ejemplo de carcasa ,   vamos a ver como convertir esta  en  una computadora nano de la gama UMPC (PC Ultra-Mobile) con ayuda  de  diferentes componentes localizables en el mercado .
Sin duda  este proyecto  es un ejercicio de integración de  diferentes  componentes del comercio, permitiendo un ejercicio avanzado de diseño de caja técnica, por lo que debe tener especial precaución, pues los cambios propuestos pueden ser fatales para su hardware ( su creador, de hecho, destaca que este proyecto se propone “tal cual” sin ninguna garantía de éxito en la realización y en su funcionamiento).

Para llevar a cabo este proyecto, su autor   ha usado  los siguientes componentes:

Preparación de la Raspberry Pi

A fin de que  todo el equipamiento mencionado  quepa en un espacio mínimo   incluyendo  la propia placa de la Raspberry Pi , es de destacar que  la RP es demasiado ancha, lo cual obligaría a hacer el cuerpo de mucho mayor que el que se propone, por lo que la idea es quitar algunos conectores de la  propia PCB  para que este  ocupe el mínimo espacio posible .

Antes de simplificar la Raspberry Pi,se debe  descargar  e instalar una imagen del sistema operativo en una tarjeta microSD y confirmar que el sistema se inicia correctamente. Si se niega a ejecutarse en este estado, se puede solucionar problemas y reemplazar la placa si es necesario dado que la garantía lo cubre , esta es su última oportunidad … una vez modificada, no se sabe si una falla fue de fábrica o como resultado de su trabajo en la placa ,  y dado que  la alteración física de Raspberry Pi es una operación que anula la garantía  y no reemplazan o reembolsan tarjetas modificadas asi que  ! pruébelo primero  al aire   con todo el equipamiento : TFT, teclado  y sección de energía  antes de empezar con el ensamblaje!

Vamos  a   ver seguir  las instrucciones propuestas por Adafruit para el uso del escudo a Kippah , de modo  que el resultado previo de adaptacion de la RP 3  l debería quedar como en la siguiente imagen , donde se  puede apreciar que se han sustituido los conectores usb dobles  por sencillos de bajo perfil de tipo USB A, eliminado el conector hdmi  e incluso se acortan  el  conector del GPiO (para que, al montar el Adafruit Kippah, el conjunto no supere los 8,5 mm de grosor ) , ya que la idea es hacer al máximo estrecho la placa , ya que su espesor marcará el grosor del equipo final:

Desmontar la Raspberry Pi es un desafío adicional, incluso si tiene experiencia previa en la desoldadura. La soldadura sin estaño requiere temperaturas más altas, y con ello el peligro  sustancial de que esta placa absorba mucho calor. ¡Si aplica demasiado calor  romperá rastros o delaminará el tablero!

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El desoldado sin estaño ya es difícil, pero algunos puntos en el tablero son particularmente desafiantes.Están conectados al plano de tierra, que se convierte en un gran disipador de calor.

Tenga mucho cuidado al derretir estos … quedarse demasiado tiempo y toda la tabla se pone incómodamente caliente!

El proceso de conversión se hace un poco más fácil simplemente no tratando de salvar las partes que se eliminan. No dude en sujetar los cables, o desmantelar por completo las carcasas de los puertos metálicos. Cualquier cosa para acceder mejor al área que intentar desoldar  déjelo perder .

El proceso debe adaptarse a sus habilidades y herramientas particulares disponibles. Incluso con una gran cantidad de herramientas, es bastante lento y puede tomar un par de horas.

USE GAFAS DE SEGURIDAD cuando recorte partes.Muchos trozos pequeños y afilados están a punto de ir volando a todas partes.

Retirada de las carcasas de los puertos

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Desmontar las carcasas metálicas alrededor de los puertos Ethernet y USB puede ayudar a reducir la masa térmica general al desoldar y facilita el acceso a algunos pines. Pero están desintegrados en el proceso y no pueden ser rescatados.

Si sigue esta ruta, tenga cuidado con los condensadores C97, C99 y C100 cuando desconecte los puertos USB. ¡No los corte fuera de la placa!

Desoldadura de puertos

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Un tornillo de banco es esencial. Esto deja ambas manos libres … una para sostener un soldador, la otra para herramientas de palanca y desoldadura. Además, el plano de tierra de la placa puede calentarse bastante y no debe manipularse.

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La eliminación de piezas a menudo requiere un movimiento de balanceo;calentando un extremo mientras se abre el otro, alternando los lados. Cortar alfileres al ras con la superficie de la tabla reduce la cantidad de balanceo necesario … Despejarán las vías antes.

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Aunque tengo una herramienta de reflujo de soldadura que debería, en teoría, ser capaz de calentar todas las clavijas para extraer la pieza … en la práctica no estaba teniendo suerte, y volví a mi confiable soldador, calentando, haciendo palanca y meciéndome. Usa lo que tengas y te funcione bien.

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Es muy problemático quitar  los LED del puerto Ethernet, pues  la carcasa de plástico se ablanda y se deforma antes de que la soldadura se derritiera. Bien entonces, dejé que se deforme, levante lo suficiente para cortar las patas de los LED. Los pines restantes se desoldaron con la técnica heat-pry-rock.

Finalmente, ¡boop! ¡Libertad!No se preocupe por los restos que quedan en el tablero … lo limpiaremos más tarde.

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Los puertos USB también requieren una gran cantidad de ataque. En lugar de tratar de desoldar las clavijas y sacar la carcasa del tablero, la carcasa se desmontó y los pasadores se recortaron del lado del componente, y la chatarra se limpiará más tarde.

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Los restos tristes de los puertos se borran. A medida que cada pin se calienta desde la parte inferior, se desprende con pinzas desde el lado del componente.

Limpieza de sobrantes

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Después de eliminar todos los pines, la mayoría de las vías todavía están conectadas con soldadura. Utilice el soldador y una herramienta de desoldado al vacío para eliminarlos.

Unos pocos agujeros pondrán una lucha … principalmente los pines de tierra. A veces es útil agregarsoldadura (preferiblemente el tipo con plomo) a un agujero y calentarlo completamente antes de usar la herramienta de vacío.

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Los agujeros son claros, pero todavía hay muchos restos de soldadura en la placa … esto puede acortar las vías y causar caos, incluso si no está utilizando los puertos correspondientes.

La mecha de soldadura se calienta debajo de la punta del soldador y se frota en las áreas para limpiar … ¡esto absorbe la soldadura como una toalla de papel! Haz esto en ambos lados del tablero.La aplicación de fundente de soldadura líquido primero (ya sea con pincel o con aplicador de bolígrafo) hace que este proceso sea un poco más suave y más limpio.

Es posible que tenga que volver a revisar r algunos agujeros con el succionador de soldadura.

Instalación de conectores USB de bajo perfil

Antes de continuar, puede dejar que la placa se enfríe, inserte una tarjeta microSD y pruebe si todavía se inicia. Sin puertos USB, no podrá conectar un teclado y apagarse limpiamente, por lo tanto, no lo haga con una tarjeta que contenga datos irremplazables.

Si el sistema no arranca … o si se inicia, pero el LED rojo de encendido parpadea, desconecte la alimentación y revise su trabajo de desoldadura para ver si hay conexiones con puente, o detritos conductivos que pueden haberse dispersado en otras partes del tablero.

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Puede instalar uno o dos puertos USB de bajo perfil, según sus necesidades. A diferencia de los viejos puertos apilados, estos son de una sola altura, por lo que dos es el máximo.

Estos deberían aparecer directamente en los puntos antiguos. Use la hilera exterior de agujeros, más cerca del borde de la tabla.La otra fila permanecerá despoblada.

Voltee la tabla y suelde los cuatro pasadores y las dos pestañas de soporte de la carcasa metálica. Una vez que la soldadura se haya enfriado, puede recortar estos cerca del tablero para que quede plano.

Una vez que se haya enfriado por completo, intente conectar un monitor e iniciar el sistema desde una tarjeta microSD. Si el trasplante fue un éxito, debería poder conectar un teclado USB e iniciar sesión.

El LED rojo “PWR” debe estar fijo. Si está parpadeando, hay un componente eléctrico corto o dañado en alguna parte

Las modificaciones anteriores  reducirán bastante el espesor de la placa de la raspberry  Pi ,pero todavía se puede imprimir algo mas  el grosor resultante  con las  siguientes modificaciones adicionales:

Acortando el encabezado GPIO

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Con la (s) toma (s) USB de una sola altura instaladas, el encabezado GPIO es ahora la parte de mayor perfil en la placa. Esto se puede acortar un poco manteniendo la funcionalidad completa …

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El borde del soporte de plástico del cabezal se puede levantar ligeramente utilizando cortadores a ras.¡Ten cuidado de no cortar los alfileres!

Luego puede trabajar a lo largo del borde con un destornillador pequeño para levantar esta pieza.

Su experiencia puede ser diferente. Con un Pi, el soporte de plástico arrancó limpiamente. ¡Con otro, esta parte debe ser completamente “mordisqueada” !

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Use una pieza de repuesto del encabezado de una sola fila como plantilla para recortar los pines GPIO. Haga cuña este pin hacia abajo entre las filas de GPIO, luego recorte a lo largo del borde de plástico.

Cuando haya terminado, el encabezado GPIO será un par de milímetros más corto, aproximadamente en línea con los conectores de video en el borde opuesto. Todo lo que esté conectado a esto (cables de cinta, sensores HAT de Pi, etc.) se quedará un poco más bajo ahora.

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O bien, si no prevé utilizar el encabezado GPIO en absoluto (o solo necesita unos pocos pines y puede conectarlos directamente), se puede desoldar y eliminar por completo.

Extracción de piezas adicionales

Si se necesita un ahorro de peso, muchos de los puertos y tomas pueden eliminarse con éxito, siempre que la funcionalidad correspondiente nunca más se necesite para su aplicación (no hay vuelta atrás con la mayoría de estas piezas).

  • Encabezado GPIO
  • Puerto HDMI
  • Puerto de video / audio compuesto
  • Conector de pantalla FPC
  • Conector de cámara
  • Conector de alimentación micro USB (si está regulado + 5 V en su lugar se alimenta a los pines apropiados en el encabezado GPIO).

La mayoría de estas partes tienen aproximadamente la misma altura, por lo que no tiene sentido eliminar un subconjunto como medida de ahorro de espacio. Pero para otras aplicaciones como drones por ejemplo , cada gramo cuenta … se vuelven locos.

Si se eliminan todas las opciones de visualización, entonces el sistema solo se puede administrar de forma remota (por ejemplo, ssh a través de WiFi). Si todos los puertos USB también se han eliminado, entonces la única manera de iniciar sesión directamente en el sistema es con un cable de consola serie conectado a los pines correspondientes en el encabezado GPIO.

A veces es más fácil tener un segundo Raspberry Pi sin modificaciones para las tareas de administración. Mueva la tarjeta microSD a este sistema, inicie y realice la configuración que sea necesaria, luego apague y vuelva a colocar la tarjeta en la placa reducida.

Montaje del teclado

Antes de proseguir es  preferible agregar un radiador en los procesadores de la tarjeta para un mejor enfriamiento.

Empareje  el teclado del bluetooth, parametrice la conexión WIFI y verifique que todo funcione.

Ahora nos pondremos con el teclado(Atención, esta intervención anula la garantía)

Desarme el teclado, desolde  la batería  que integra  (peligro de cortocircuito) para desacoplar la placa electrónica. Recupere la platina, el diafragma de goma y la tapa.

Cablee la cubierta para el suministro en 3,7 voltios tomados por la placa  a Adafruit Kippah ( es la qeu se usara tambien paa conecetar la pantalla TFT)

Coloque la membrana y la máscara   y las teclas en carcasa impresas y esta parte ya esta casi lista es espera del ensamblado final

Sección de energía

En este proyecto se usa   el  ¡PowerBoost 1000C como a fuente de alimentación! Con un circuito integrado  cargador de batería permite  compartir la carga,  manteniendo alimentado el mini portatil  incluso mientras recarga la batería! Este pequeño módulo convertidor elevador de CC / CC puede alimentarse con cualquier batería Li -on / LiPoly de 3.7V y convertir la salida de la batería a 5.2V CC para ejecutar sus proyectos de 5V.

La salida es de 5.2V en lugar de una 5.0V recta para que haya un poco de “espacio libre” para cables largos, alto consumo,o  la adición de un diodo en la salida si lo desea, etc. La tension de 5.2V es segura para Raspberry Pi   a vez que previene el deterioro de la corriente durante el consumo de corriente alta debido a la resistencia del cable USB.

El PowerBoost 1000C tiene en el corazón un convertidor elevador TPS61090 de TI . Este chip convertidor elevador tiene algunos extras realmente agradables, como detección de batería baja, interruptor interno de 2 A, conversión síncrona, excelente eficiencia y operación de alta frecuencia a 700 KHz. ¡Mira estas especificaciones!

  • La operación síncrona significa que puede desconectar la salida completamente conectando el pin ENable a tierra. Esto apagará completamente la salida
  • 2 Un interruptor interno (~ 2.5A limitación de pico) significa que puede obtener 1000mA + de una batería LiPoly / LiIon de 3.7V. ¡Solo asegúrate de que tu batería pueda manejarlo!
  • El LED indicador de batería baja se ilumina en rojo cuando el voltaje cae por debajo de 3.2V, optimizado para el uso de la batería LiPo / LiIon
  • Resistencias de datos “iOS” de carga a bordo de 1000 mA. Suelde el conector USB y puede conectar cualquier iPad, iPhone o iPod con una tasa de carga de 1000 mA.
  • Desglose completo de la batería, los pines de control y la potencia de salida
  • 90% + eficiencia operativa en la mayoría de los casos (ver hoja de datos para gráficos de eficiencia) y baja corriente de reposo: 5mA cuando está habilitado y LED de alimentación encendido, 20uA cuando está desactivado (potencia y LED de batería baja apagados)

Para que esto sea aún más útil, incluiye  un cargador inteligente de carga compartida Lipoly en el otro lado. El circuito del cargador se alimenta desde una toma microUSB, y recargará cualquier batería LiIon o LiPoly de 3.7V / 4.2V a una velocidad máxima de 1000mA.

Hay dos LED para monitorear la tasa de carga, uno amarillo le dice que está funcionando, uno verde se ilumina cuando está listo.

Como el cargador de batería incorporado tiene carga compartida, cambiará automáticamente a la alimentación USB cuando esté disponible, en lugar de cargar / drenar continuamente la batería. Esto es más eficiente, y le permite cargar y aumentar al mismo tiempo sin interrupción en la salida, por lo que está bien para usar como un “UPS” (fuente de alimentación no interrumpible).

Solo tenga en cuenta que la tasa de carga es 1000mA máx. Y hay cierta ineficiencia durante la etapa de refuerzo, así que asegúrese de que el adaptador USB que está utilizando para cargar es de alta calidad, puede suministrar 2 A y tiene cables de alimentación gruesos ¡Siempre debe tener un LiPo conectado para administrar los picos de carga, no es opcional!

Precaución: observe las precauciones de uso y manipulación de las baterías de iones de litio que pueden incendiarse y explotar en caso de manipulación incorrecta
Instale el amplificador de potencia Adafruit y un interruptor en la tapa de la batería. Conecte el conjunto de acuerdo con las instrucciones de operación propuestas por Adafruit para su módulo.

Pantalla:

En el prototipo se usa a pantalla TFT de 5.0 ” con resolución es, 800×480  con interfaz de 40 pines y con luz de fondo LED. Es ideal para cuando necesita mucho espacio para gráficos. Estas pantallas se ven comúnmente en productos electrónicos de consumo, tales como televisores en miniatura, GPS, portátiles juegos, pantallas de automóviles, etc. Un conector de 40 pines tiene 8 pines paralelos rojos, 8 verdes y 8 azules, para una capacidad de color de 24 bits.

Este tipo de  pantallas de “reloj de punto de píxel sin procesar”  no tienen  controlador SPI / tipo paralelo ni ningún tipo de RAM. Se supone que la pantalla debe actualizarse constantemente, a 60 Hz, con un reloj de píxeles, sincronización V, sincronización H., etc. Hay algunos procesadores de gama alta como el que se utiliza en el BeagleBone que puede admitir de forma nativa dichas pantallas TTL RGB. Sin embargo, es extremadamente raro que un microcontrolador pequeño lo admita, ya que necesita hardware dedicado o un procesador muy rápido como un FPGA. No solo eso, sino que la retroiluminación requiere un convertidor elevador de modo de corriente constante que puede alcanzar hasta 24V en lugar de nuestras otras pantallas pequeñas que pueden apagar la retroiluminación de 5V

Normalmente este tipo de  pantallas TFT no incluyen un cable muy extenso , de modo que se necesita  un cable de paso de 40 pines y de 0,5 mm una estrecha gama  y un  panel de extensión para permitir la conexion. Estas placas de extensión FPC de 40 pines tienen dos conectores flexibles de 40 pines (ambos de tipo de contacto inferior) y un cable de extensión para agregar ~ 22 cm (cable de 20 cm más placa de 2 cm).

Ahora conectado el extensor , puede doblar  la cinta como se muestra en la imagen pues el cable de cinta no se puede cortar ya que en un extremo cuenta con un conector especial que habrá que conectar en el adaptador Kippah de Adafruit .

Una vez plegado el cable de cinta , pegue la pantalla en el marco impreso con pegamento de contacto, dejando la cinta unos 3 cm para conectarlo a la Rspberry Pi 3.

Para conectar la pantalla TFT  a la Raspeberry Pi sin el uso de un decodificador HDMI   el autor ha  usado el adaptador    DPI Kippah de Adafruit . Esta placa similar a un HAT  y  encaja en una Raspberry Pi B +, A +, Pi 2, Pi 3 o Zero y con una pequeña configuración de software, le permite tener lo que normalmente saldría del puerto HDMI en una pequeña pantalla plana.  No es técnicamente un HAT debido a la falta de EEPROM a bordo, pero tiene la misma forma que un Pi HAT y es una especie de cubierta, por lo que lo llama kippah.

Comparado con escudos HDMI, no tiene el costo o gasto adicional de un codificador / decodificador HDMI. Y obtiene una agradable pantalla en color ultrarrápida de 18 bits  funcionando muy bien con  pantallas de 5 “y 7” a 800×480. Esta pantalla es “nativa” por lo que obtiene todas las capacidades de aceleración de gráficos, actualización instantánea, etc. que obtendría de una pantalla HDMI

El truco de esta placa es que este complemento incorpora casi todos los pines disponibles en la Raspberry Pi y esos pines están codificados, no se pueden mover ni reorganizar . Los pines utilizados son GPIO 2 a 21 inclusive. Eso significa que no obtiene los pines UART RX / TX (sin cable de consola) y no obtiene los pines I2C de usuario estándar, los pines EEPROM I2C o pines SPI de hardware. Puede usar los pins # 22, # 23, # 24, # 25, # 26 y # 27, y los puertos USB también pueden usarse.

La otra pega es que esta pantalla reemplaza la salida HDMI / NTSC , por lo que no puede tener el DPI HAT y el HDMI funcionando a la vez, ni puede ‘voltear’ entre los dos. Además, no hay PWM disponible, por lo que no puede tener control de luz de fondo de precisión a menos que de alguna manera arme un generador PWM externo con un 555 o algo así.

Instale el soporte del monitor LCD: el pivote de la bisagra está hecho de un filamento de plástico para imprimir.

Montaje en la carcasa:

Instalada  la batería en la carcasa, pase los cables de alimentación a través de la arandela de  cable. Suelde  los hilos  procedentes de la batería que a los pines en  almohadilla de la Raspberry de 5V y GND. Soldar también dos hilos de alimentación del teclado en la placa de alimentación proporcionada por el tablero Adafruit: GND y 3.3V.

Monte la placa de Adafruit en la Raspberry Pi . Instale la tarjeta SD, conecte la pantalla e instale el conjunto en la ranura.

Instale firmemente el soporte del teclado.

Todo debería funcionar la primera vez que encienda  el interruptor de alimentación.

Para aquellos que no tengan  una impresora 3D, las partes de plástico de este kit se pueden pedir en Shapeways:https://www.shapeways.com/shops/modular_designs

Para aquellos que SI tienen una impresora 3D,el diseño  se puede descargar desde thingiverse  

El autor uso los siguientes parámetros a la hora de imprimir las piezas;

Marca de impresora:Zortrax

impresora:Zortrax M200

apoyo:

relleno:Max

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