Raspberry Pi 400 扩展坞

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引言

树莓派 400 是一款内置在键盘里的小型计算机。而普通的树莓派是你可以集成到项目中的一块电路板，Pi 400 更像是一款成品消费级产品——正如他们在官网上所说的，“一台集成在紧凑键盘里的完整个人电脑”。因此，你只需连接显示器（或电视）、电源和鼠标，就能获得一台拥有 4GB RAM 和四核处理器，价格不到 100 美元的个人电脑。听起来很棒，对吧？嗯，如果你想用它作为主力电脑，你可能会有点失望（例如，可以看这里），但对于许多任务来说，它非常出色。不过，它也确实缺少一些东西。

对我来说，我首先想到的缺失功能是实时时钟（RTC）。如果你从未听说过，RTC 是计算机（和其他设备）中用来保持时间的微小电路。它有一个备用电池，所以电脑关机时不会丢失时间。当电脑再次开机时，它可以从 RTC 电路读取日期和时间。这就是它在电脑和笔记本电脑上的工作方式。

在树莓派 400 中，设计师决定不包含 RTC。因此，Pi 应该从互联网获取日期和时间。只要你在网上，这都能正常工作。你可能只是注意到 Pi 启动时时钟不正确，但几秒钟后就会更新。但如果你没有连接到互联网怎么办？是的，我知道现在你几乎无时无刻不在网上，而且实际上你用电脑做的大多数事情都需要互联网，没有它就无法计算。但如果你的 Wi-Fi 坏了，而你只是想处理你的文档呢？我不喜欢在系统时间错误的情况下处理事情。即使离线，也能拥有正确的日期和时间会很好。

第二个缺失的功能是电池供电。由于 Pi 400 非常小巧，能够便携使用，而无需 AC 电源会很方便。实际上，即使它放在桌子上，也可能希望在 AC 电源意外断开时有备用电源。

所以，基本上，我从这两个需求开始：电池供电和 RTC，最终得到了这里展示的“Pi 400 扩展坞”。它的功能是：

• 电池供电和 AC 供电，可无缝切换（类似笔记本电脑）
• 显示电池状态
• RTC 提供日期和时间

看起来像这样：

这是正面视图

扩展坞主体

我的第一个想法是将所有东西都安装在原装 Pi 400 外壳内。事实证明这是不现实的——你根本无法将所有电路和电池都装进原装外壳。下一个选择是更换外壳的底部红色部分，用定制外壳来提供更多空间。这很有吸引力，但对我来说不可行，原因有：1）我不想拆开 Pi 400（这并不简单），2）新的底部必须精确打印，以便顶部可以卡上去。我对我的 3D 打印技术不太自信。
所以我的解决方案是制作一个“扩展坞”，将完整的 Pi 400 插入其中。它看起来不太好，但制作简单，并且为电路提供了大量额外的空间。

这是扩展坞的 3D 模型

外壳打印成两部分（它太大了，无法放入普通家用 3D 打印机）。我为原型使用了黑色 PLA+ 耗材和 10% 的填充密度，在我的 GeeTech A10 打印机上，每个部分大约需要 5 小时打印。

左侧

右侧

两部分用聚氨酯胶水粘合在一起。有两个孔用于 4 毫米的 rod 来对齐零件并增强连接强度。

Pi 400 从背面的边缘插入，并通过 Kensington 锁孔用一个 3D 打印的螺栓固定。这个螺栓应该尽可能坚固。我用相同的 PLA+ 耗材以 100% 填充密度打印了它，但效果并不理想。前面部分很容易断裂。更好的选择可能是用 ABS 打印，或者用一小块铝制作前面部分并将其粘在螺栓的孔内。你可以自由尝试。

锁定螺栓的详细视图

你可能还会注意到前面的燕尾槽导轨。这些是用来连接显示器的，可以将扩展坞变成一个笔记本电脑。这项工作将在以后完成……

在扩展坞底部贴上一些自粘缓冲垫（橡胶脚），以改善散热。

实时时钟

为 Pi 添加实时时钟很容易。你可以购买便宜的带 I2C 接口的模块，并将其连接到 Pi 的 GPIO 插针。我使用了 PCF8563 breakout 板，价格大约为 2 美元。

它连接到 GPIO 插针 1 (3.3V)、2 (SDA)、3 (SCL) 和 5 (GND)。

然后你需要配置你的操作系统，使其在启动时从 RTC 加载时间。这在很多教程中都有描述，我使用了这个教程。

PCF8563 不在教程提到的 RTC 之列，但它工作正常。需要在 boot/config.txt 中添加的行是：

dtoverlay=i2c-rtc,pcf8563

电源

首先，我将描述我使用的最终配置。有关我尝试过的其他选项的信息，请参阅下面的电源选项部分。

这是展示所有组件如何连接在一起的框图

我使用了一个集成了 TP4056 锂离子充电器和 MT3608 升压模块的 breakout 板。TP... 和 MT... 的名称标识了电路板上使用的芯片；你可以在其数据手册中找到规格。简而言之，这个电路板通过 USB micro 连接器接收输入电压，在需要时为连接的电池充电，并在输出端提供一个从电池电压（3 到 4.2V）“升压”而来的 5V。最大输出电流为 2A，但建议仅使用 1A。这是电路板的样子：

充电器+升压板连接到一个单节 5000 mAh 的锂聚合物电池。当然，你可以使用不同容量的电池，前提是它能装在 Pi 400 下方的扩展坞内，这意味着它不应该比 10 毫米厚。我的电池尺寸为 100 x 60 x 6 毫米，价格约为 16 美元。

电路板的输出需要一个 USB-C 连接器，该连接器插入 Pi 400 的电源输入。如果你在为 GPIO 插针供电时感到困惑，Pi 400 不支持此功能，见此处。
你可以购买一根一端是 USB-C 连接器、另一端是导线的电缆，或者只购买连接器并使用自己的导线。我尝试了这两种选择。我的最终设置使用的是焊接到细扁平线上的 USB-C 连接器，这样更容易在扩展坞内布线。

充电器和升压板插入一个 3D 打印的框架中，然后从左侧插入主外壳。可拆卸“抽屉”的设计是为了提供灵活性——如果你需要使用不同的充电器和升压板，你无需打印整个扩展坞外壳，只需打印为你的电路定制的抽屉即可。

抽屉里还有一个电源开关，可以断开 USB-C 输出。这是必需的，因为即使 Pi 400 关闭，它也会从电源消耗约 50mA 的电流。所以，如果你只是关闭系统而不拔掉 USB-C 电源连接器，你仍然会从电池消耗 50mA 的电流，大约 3 天后，电池就会耗尽。

这是抽屉的 3D 模型

这是实物

电池测量

当你的 Pi 由电池供电时，你不会希望在工作过程中耗尽电量。所以你需要某种方式来测量电池。我研究了各种项目，对我来说最好的选择是使用 INA219 电流传感器。你可以以大约 4 美元的价格购买一个 breakout 板，它可以测量电压和电流，并通过 I2C 发送结果，因此可以通过 GPIO 端口连接到 Pi 的 I2C 接口。

你可以使用 Arduino 或类似的设备来测量电池，但这比连接 INA219 会花费更多的工作和金钱。而且，使用 INA219，你还可以测量电流，而不仅仅是电压。如果你测量从电池流出/流入的电流，你可以判断电池是正在充电还是放电，并比仅从电压估算剩余时间更精确。

这是所有组件的连接示意图

INA219 和 RTC 共享 Pi 400 GPIO 插针的同一 I2C 和电源引脚。我为此制作了一个定制的 Y 型电缆，它将 3.3V、GND、SDA 和 SCL 引脚连接到 RTC 和 INA219。

这是扩展坞中组件的布局

• 1 – 充电器和升压电路
• 2 – 电池
• 3 – 锁定螺栓
• 4 – USB-C 连接器
• 5 – RTC 电路
• 6 – INA219 传感器
• 7 – RTC 和 INA219 的 I2C 和电源线

关于 INA219 传感器的一点说明：你可以通过接线端子或插针连接测量的电流。最好使用接线端子，因为从电池中提取的电流相当大，而普通的跳线连接不足。仅因此原因，你可能会遇到各种低电压问题。

电池电量指示器

你在笔记本电脑上见过这个——一个显示剩余容量或时间的图标。为我们的 Pi 扩展坞拥有这个功能会不会很棒？我找到了 pi-battery-widget 项目，它正好可以做到这一点。GitHub 上有很多这个项目的分支，我Fork 了这个分支，它有估算剩余容量的不错方法（尽管还有改进空间，稍后会详细介绍）。

该小部件是用 C 语言编写的，但使用 Python 脚本读取传感器的数据，该传感器测量电池。这样做的好处是你可以轻松修改脚本以使用你的传感器，但我不喜欢每 5 秒启动一个 Python 脚本来做 C 程序本身就能完成的事情。这似乎是在浪费计算能力（和电池的电量）。

因此，我决定移除 Python 脚本，直接读取 INA219 传感器。有一个 C++ 库可以做到这一点，但由于它是 C++，我不得不将项目从 C 切换到 C++，并修复 C++ 编译器不喜欢的那些东西。同时，我还对代码进行了一些（希望是更好的）更改，并为我喜欢的 Twister OS（我在 Pi 400 上使用的操作系统）创建了安装脚本。

我的小部件版本包含在此文章的 zip 文件中，并且也在此处 GitHub 上可用。请参阅软件包中的 Readme 以获取有关构建和安装小部件的说明。

关于电源选项和限制的一些思考

推荐用于 Pi 400 的官方电源是 5V 3A。我在某处读到，空闲时的功耗为 2.5W，这意味着电流为 0.5A（0.5A x 5V = 2.5W）。根据我的经验，从电池提取的电流从最低的约 0.6A（空闲）到满负荷 CPU 时约 1.5A 不等。请注意，这是电池的电流，电压不是 5V 而是较低的，约 3.8V。因此，这些电流对应于 2.3W 到 5.7W 的功耗（0.6A x 3.8V = 2.3W）。

考虑到这些数字，你应该选择你的组件——电池、充电器和升压器、开关、电缆、电流传感器。我在下面的图表中列出了限制，并标出了感兴趣的编号点。

点 1：电池

我的电池内置保护电路，如果电压低于 3V 或电流超过 3A，则会将其断开。设置 pi-battery-widget 中的低电压限制时，电压很重要。通常，可以使用 2.9V 左右，但如果电池在 3V 时自行关闭，而小部件仍然认为电压正常，你可能会丢失数据。为了让小部件正常工作，我将空电池电压设置为 3.1V（参见代码中的 BATTERY_VMIN）。

3A 的最大电流也可能是一个问题——随着电池放电，电池电压会下降，所以如果电池几乎没电了，比如 3.2V，而允许的最大电流是 3A，那么最大功率就是 9.6W（功率 = 电压 x 电流）。或者换句话说，在 5V 输出到 Pi 的最大电流只能是 1.9A（电流 = 功率 / 电压 = 9.6 / 5）。从上面的电流范围来看，1.9A 几乎没有额外的电流留给 Pi 本身以外的任何东西（例如，如果你将外部硬盘连接到你的 Pi）。

建议

• 考虑连接外部设备（如外部硬盘）到电池供电的 Pi 时的功耗。如果不确定，请使用 AC 电源。
• 购买具有足够额定值或无保护功能的电池（但请使用带保护功能的充电器！）。

点 2：电流传感器

INA219 传感器板的额定电流为 3A。由于我们测量的是电池电流，这实际上等同于我电池的限制——你不应该让超过 3A 的电流通过传感器，这大约是 10W 的功率，反过来，在 5V 输出上的电流不超过 2A。似乎我们只能接受在此配置下的 10W 限制。

如果你需要更多的外设功率，一个解决方法是限制最大 CPU 速度，从而限制 Pi 本身的消耗。这可以在启动时加载的配置文件中完成（我尝试过），但如果它也能在系统运行时动态进行（我还没有研究过），那就更好了。实际上，这意味着如果从电池提取的电流过高，我们可以自动切换到较低的 CPU 速度。这里还有很多进一步改进的空间，欢迎加入。:)

点 3：充电器和升压器

我使用的电路板最大输出电流为 2A，但推荐仅使用 1A。如前所述，Pi 400 的电流消耗从空闲时的约 0.6A 到全速时的约 1.5A 不等。所以我们超过了推荐的 1A，但考虑到 CPU 负载是变化的，它应该能工作。到目前为止，在我的原型机上它是能工作的。当从 AC 电源运行并同时给电池充电时，电路板似乎会特别热。将电路板放在一块（绝缘的）金属上，并在外壳的电路板下方设置通风孔可能会有帮助。我在原型机上用钻头打了这些孔，但 3D 模型中还没有。

电源选项

在进行此项目时，我尝试了各种为 Pi 400 供电的选项，以下是我在此过程中收集的一些注意事项，供您参考实验。

选项 1 - 移动电源

可能是第一个想到的就是使用移动电源。这效果很好，但你可能无法在给移动电源充电的同时用它给 Pi 供电（大多数移动电源不支持此功能）。如果你的电池没电了，你需要关闭 Pi 并给移动电源充电。如果你只是随身携带移动电源，它就是需要连接的另一根线，并且会增加桌面的杂乱。所以，移动电源易于使用，但不太舒适。我可以想象将移动电源集成到扩展坞中，但我仍然希望能够像笔记本电脑一样，同时使用壁式电源和电池为 Pi 供电。

选项 2 - 电池、充电器和升压器

当你想到电池时，你可能会意识到你需要一个充电器。你可能没有意识到，你还需要升压电池电压。Pi 需要 5V，而锂聚合物电池充满电时只有 4.2V，当接近空电时降至约 3V。
幸运的是，有一些小巧且便宜的电路板集成了充电器和升压电路。
我遇到了两种这样的电路板。

• 来自移动电源的电路板
• 非来自移动电源的电路板

移动电源电路板

这些似乎是移动电源的组件，单独出售给 DIY 用户。这些电路板通常包含几个 LED 来指示电池剩余电量，并在放电电流低于约 50mA 时自动关断。它们可以在输出端提供 2A 甚至更多的电流。这听起来很棒——你获得了电池电量计和高输出功率，但有一个巨大的缺点。当它在电池和 AC 电源之间切换时，输出会有短暂的断电。它只持续大约 20 毫秒，但足以让 Pi 检测到并重启。

我想如果你大部分时间都使用电池供电，并且记住在 Pi 运行时永远不要插墙上充电器，你就可以接受这个限制。但如果你想像使用笔记本电脑一样使用你的 Pi，随时在电池和 AC 电源之间切换，这种电路板就不是正确的解决方案。想象一下，你正在进行某项工作，电池电量即将耗尽。所以你连接墙壁适配器，然后……你的 Pi 重启了。反之，你正在使用市电供电，突然你家里的断路器跳闸了。你的 Pi 关闭了，你丢失了所有未保存的工作。

我不能说所有的“移动电源电路板”都有这种断电“功能”，但我尝试了两种不同类型，它们都有。所以我决定使用别的东西——我称之为“非移动电源电路板”的那种。

非移动电源电路板

当连接或断开 AC 电源时，这些电路板不会断电。但它们也没有 LED 来指示电池电压；只有充电/已充电 LED。它们似乎也只提供相对较低的输出额定值。这不理想，但可以工作。

结论

这里介绍的 Pi 400 扩展坞仍处于开发阶段，所以请做好实验和即兴发挥的准备。有些事情我已知可以改进，当然，还有很多其他事情需要改进，而我尚不清楚。

以下是一些可以改进的地方：

• 电源板（带充电器和升压器的抽屉）下方的通风孔，以提高散热效果。
• 在扩展坞主体中加深“抽屉”的边缘，使其不会突出。
• 更好的电源开关（具有更高的电流额定值；2A 是理想的）。
• 更坚固的燕尾槽支架，用于连接显示器。外部应该有更多的材料，或者使用不同的设计，也许用螺母和螺栓固定显示器铰链。
• 电源小部件对剩余电池容量的估算可以改进。它似乎没有考虑到当电流较高时电池电压会下降，所以你可能会在某一刻看到 50% 的剩余电量，当时 Pi 正在进行一些繁重的计算，而片刻之后，它可能会显示 55%，因为功耗较低，电压升高了。

历史

• 2022 年 5 月 9 日 - 初始版本