Absolute LINUX TAB

Я создал Absolute Linux Tablet — самодельный планшет, изготовленный полностью с нуля.

Это планшет на основе Raspberry Pi Compute Module 5 и 10-дюймового сенсорного DSI-дисплея Waveshare со встроенным литиевым аккумулятором, обеспечивающим до пяти часов непрерывной работы.

Цель этого проекта заключалась в создании портативного Linux-планшета для моего будущего проекта, связанного с солнечной энергетикой. Мне требовалось устройство, которое можно было бы легко переносить с места на место при работе на открытом воздухе. Можно было бы взять ноутбук, но мне хотелось чего-то более портативного и удобного в работе. Для этой задачи идеально подходит Raspberry Pi OS, и именно поэтому я решил изготовить планшет на основе CM5 и сенсорного дисплея.

Это устройство стало чем-то средним между компьютером с сенсорным экраном и планшетом. Я выбрал версию CM5 с 4 ГБ, а для повышения производительности установил операционную систему на SSD NVMe, что сильно повысило скорость системы.

Для улучшения сигнала Wi-Fi и Bluetooth я добавил внешнюю антенну.

Корпус проектировался в Fusion 360, а детали я печатал на своём 3D-принтере в двух цветах для красоты.

В этой статье объясняется весь процесс создания планшета.

Материалы

В этом проекте использовались следующие материалы:

• Raspberry Pi CM5 (ОЗУ 4 ГБ) с Evaluation Board.

• SSD NVME (для операционной системы).

• 10,1-дюймовый DSI-дисплей Waveshare для Raspberry Pi.

• Схема управления питанием (взята из пауэрбанка).

• LiPo-ячейка на 3,7 В 10000 мА·ч (взята из пауэрбанка).

• Напечатанные на 3D-принтере детали.

• Антенна (взята из модуля NRF24).

• Винты M2.

Идея

Изначально идея возникла потому, что мне нужна была портативная система с Linux, которая бы помогла мне с проектом мониторинга солнечной энергетики, над которым я работаю. В этом проекте я уже использовал Raspberry Pi 4, и мне нужно было устройство, с помощью которого можно было бы подключаться по SSH к системе и мониторить солнечные элементы.

Я загуглил, но нашёл очень мало планшетов с Linux, поэтому решил создать собственный, ведь концепция была довольно простой.

В проекте достаточно было трёх основных компонентов: маленького компьютера, дисплея и аккумулятора. В качестве компьютера я выбрал Raspberry Pi Compute Module 5 с evaluation board. У меня уже имелся в запасах дисплей Waveshare, который идеально подошёл для проекта. В качестве источника питания я взял из разобранного пауэрбанка аккумулятор и зарядную схему.

Оборудование: 10,1-дюймовый DSI-дисплей WAVSHARE

Мне хотелось огромный дисплей, а не обычный 7-дюймовый.

Также важным фактором было удобство подключения, поэтому я хотел интерфейс DSI вместо HDMI, поэтому выбрал Waveshare 10.1-DSI-TOUCH-A. Этот портретный сенсорный ЖК-дисплей с распознаванием десяти касаний. В дисплее используется IPS-панель с аппаратным разрешением 800×1280, что идеально подходит для моего планшета.

Дисплей соединяется с Raspberry Pi интерфейсом DSI и поддерживает частоту обновления до 60 Гц, чего более чем достаточно.

В комплекте с дисплеем поставляются два кабеля FFC для подключения к Raspberry Pi 5 или CM5, один кабель FFC для подключения к Raspberry Pi 4, кабель питания и пара прокладок.

Подробнее о нём можно узнать на странице wiki.

https://www.waveshare.com/10.1-dsi-touch-a.htm

http://www.waveshare.com/wiki/10.1-DSI-TOUCH-A

RASPBERRY PI CM5

Мозгом нашего проекта стал Raspberry Pi CM5 — более ориентированная на промышленность версия Raspberry Pi 5 в модульном форм-факторе. В нём установлен тот же четырёхъядерный 64-битный SoC Broadcom BCM2712 Arm Cortex-A76 (Armv8) с частотой 2,4 ГГц, но в гораздо более компактном корпусе.

CM5 находится на evaluation board с разведёнными USB-портами, Ethernet, двумя портами HDMI, контактами GPIO, разъёмом под SD-карту и даже с портом M.2 для подключения SSD NVMe.

В проекте мы будем использовать вариант с 4 ГБ, имеющий встроенный накопитель eMMC на 32 ГБ.

В качестве операционной системы я выбрал новую Raspberry Pi OS, основанную на Debian Trixie. Операционная система установлена на SSD NVMe, благодаря чему работает очень быстро. Установка операционной системы выполнялась при помощи Raspberry Pi Imager. Я подключил SSD адаптером M.2-to-USB и прошил ОС непосредственно на NVMe. После подключения SSD к плате CM5 система запустилась напрямую с SSD.

Дизайн

Так выглядит дизайн устройства. Я стремился создать крепкий, похожий на промышленный планшет, имеющий вид профессионального оборудования. Даже добавил в него внешнюю антенну, которая не просто выполняет полезную функцию, но и выделяет планшет на фоне других устройств.

На обратной части для воздухотока добавлена решётка. Она действительно обеспечивает приток воздуха, но в основном добавлена для эстетики промышленного дизайна. Слева я добавил отдельное отверстие для доступа к портам ввода-вывода CM5. С той же стороны также есть порт USB Type-C, применяемый только для зарядки аккумулятора.

Чтобы устройство выглядело ещё уникальнее, рамка и основной корпус напечатаны в двух цветах. Для задней части я выбрал Hype PLA Red, а для рамки — Hype PLA Black.

Корпус

Корпус устройства состоит из двух частей: удерживающей дисплей и Raspberry Pi CM5 рамки и задней крышки, в которой установлены аккумулятор, схема питания и антенна. Детали соединены друг с другом винтами M2, которые вкручиваются в монтажные отверстия по периметру рамки.

Источник питания

В процессе проектирования в CAD я измерил схему питания штангенциркулем, воссоздал её в CAD, а затем встроил её в заднюю крышку. В схеме уже имелись отверстия для крепления, поэтому я добавил соответствующие площадки под винты внутри корпуса.

С одной стороны корпуса есть отверстие для порта USB Type-C схемы питания, что позволяет заряжать аккумулятор без разборки устройства. С обратной стороны я спроектировал кнопку включения, нажимающую на SMD-переключатель модуля питания. При помощи этой кнопки можно включать и отключать схему питания снаружи корпуса.

Антенна

У CM5 есть Wi-Fi, но добавление пластмассового корпуса повлияет на сигнал. Но это не проблема: у CM5 есть разъём U.FL, к которой я задумал подключить внешнюю антенну.

Я смоделировал антенну, снятую с NRF24, и расположил её в задней части устройства. Антенна подключается через разъём RP-SMA в соответствующем отверстии, где закрепляется гайкой M6.

Дисплей CM5 с рамкой

Деталь-рамка удерживает на месте дисплей Waveshare и плату Raspberry Pi CM5.

3D-детали

После того, как проектирование модели было завершено, я экспортировал три детали: заднюю часть, рамку и кнопку.

Рамка и кнопка печатались Black Hype PLA с высотой слоя 0,2 мм и заполнением 25%. Задняя часть печаталась Red Hype PLA с такими же параметрами.

Сборка дисплея и CM5

• Процесс сборки дисплея и CM5 начинаем с размещения expansion board на обратной стороне дисплея.

• При помощи четырёх болтов M2,5 скрепляем их.

• Затем подключаем шлейф питания. Одним концом он соединяется с разъёмом JST дисплея, а другой подключается к контактам GPIO Raspberry Pi. По сути, дисплей будет питаться непосредственно от GPIO Raspberry Pi.

• Далее присоединяем кабель FPC. Сначала мы подключаем его к Port 1 платы expansion board Raspberry Pi, а второй конец подключается к разъёму FPC дисплея.

Редактирование файла конфигурации

Я подключил питание и понадеялся, что благодаря plug-and-play дисплей сразу заработает, но всё оказалось не так просто.

Сначала нужно подключить к CM5 внешний монитор, открыть терминал и отредактировать файл config.txt.

В конец файла я добавил следующие строки:

dtoverlay=vc4-kms-v3d
#DSI1 Use
dtoverlay=vc4-kms-dsi-waveshare-panel-v2,10_1_inch_a
#DSI0 Use
# dtoverlay=vc4-kms-dsi-waveshare-panel-v2,10_1_inch_a,dsi0dtoverlay=vc4-kms-dsi-waveshare-panel-v2,10_1_inch_a,dsi0

К чести Waveshare, на странице wiki этого дисплея уже есть специальный готовый образ Raspberry Pi OS Trixie image. Если прошить этот образ в Raspberry Pi, то дисплей запустится без необходимости ручной настройки.

Сборка рамки

Сборка рамки начинается с размещения дисплея и Raspberry Pi в сборе в предназначенном им месте.

Нам не понадобится никакой клей, потому что дисплей будет удерживаться на месте после прикрепления задней крышки.

Источник питания

В качестве источника питания лучше всего выбрать схему питания и литиевую ячейку пауэрбанка. В этом проекте я использовал пауэрбанк PD, которым обычно заряжаю свой iPhone и другие устройства:

• При помощи подходящего инструмента вскрываем пауэрбанк. У меня его не было, поэтому я воспользовался пинцетом.

• Вставив его в щель корпуса и надавив, я начал раздвигать половинки корпуса.

• Корпус держался на защёлках, поэтому, сделав отверстие с одной стороны, я засунул внутрь пинцет и, двигаясь по периметру, полностью снял крышку.

• Схема была закреплена винтами M1,8, и её удалось снять без проблем.

• Аккумулятор держался на двусторонней клейкой ленте, поэтому немного потянув, я тоже извлёк его.

• Это было зарядное устройство MagSafe, поэтому у него имелась ещё и зарядная катушка, которую я отключил от схемы.

В результате я получил аккумулятор на 10000 мА·ч и схему питания, позволяющую заряжать систему из дисплея и Raspberry Pi.

Подключение источника питания

• Добыв литий-полимерную ячейку и схему зарядки, я удлинил провода аккумулятора, отпаяв старые и заменив на более длинные.

• Положительный контакт аккумулятора я подключил к площадке B+ схемы, а отрицательный — к площадке B-.

• Затем я припаял два провода к контактам порта USB 5V и GND. Для подключения этих проводников к контактам Raspberry Pi я добавил к проводам 5V и GND разъём CON3.

• Теперь этот разъём можно просто подключить к контактам GPIO 5V и GND Raspberry Pi, запитав всю систему.

Тестирование источника питания

Перед сборкой я проверил мультиметром выходное напряжение, убедившись, что оно равно 5 В. Через пять секунд после включения схемы питания Raspberry Pi запустил десктопное окружение, продемонстрировав правильную работу системы.

Устройство отключается при удерживании кнопки питания в течение трёх секунд.

Источник питания: сборка основания

• Я нанёс термоклей на место для крепления аккумулятора и установил литиевую ячейку

• Затем вставил напечатанную на 3D-принтере кнопку в отверстие внизу задней крышки.

• Далее я установил в соответствующее место схему питания, совместил монтажные отверстия схемы с площадками под винты и прикрутил её двумя винтами M2.

Подключение антенны

• Для подключения антенны Wi-Fi и Bluetooth я использовал разъём RP-SMA.

• Пропустил разъём через отверстие, смоделированное под место для антенны в задней крышке, и затянул гайку.

Окончательная сборка

• Окончательная сборка начинается с подключения проводников 5V и GND схемы питания к контактам GPIO Raspberry Pi. Таким образом мы подключаем схему управления питанием к дисплею и evaluation board CM5.

• Далее мы подключаем разъём U.FL кабеля RP-SMA к разъёму U.FL платы CM5.

• Затем совмещаем заднюю часть корпуса с рамкой и слегка сжимаем их, соединив таким образом детали.

• Теперь крепим заднюю часть к дисплею Waveshare при помощи болта M2,5. Затем монтируем шесть винтов M2, крепящих заднюю часть и рамку — три винта сверху и три винта снизу.

• В конце прикручиваем антенну к разъёму RP-SMA, завершив на этом процесс сборки.

Результат

Вот конечный результат этого проекта: планшет с Linux.

Больше всего мне нравится в этом проекте то, что он полностью самодельный и открытый. Я могу заменить операционную систему, устанавливать любое нужное мне ПО, писать собственные приложения и иметь полный доступ к терминалу. Нет никаких ограничений и замкнутой экосистемы: только компьютер, который я изготовил под свои потребности.

Компьютер оказался на удивление мощным. Я смог даже запустить на нём Minecraft Java Edition, и благодаря Compute Module 5 игра работает без проблем. Из-за 10-дюймового сенсорного дисплея устройство ощущается, как полноценный планшет.

В конечном итоге, проект заключался не в сборке планшета, а в создании именно того инструмента, который мне нужен: портативной рабочей станции с Linux, которую можно закинуть в рюкзак, таскать с собой повсюду и при необходимости модифицировать.

И я считаю, что именно в этом заключается отдача от самодельного оборудования. Тебе не нужно покупать идеальное устройство. Ты можешь изготовить его сам, кастомизировать и подстроить под собственные нужды.

Что дальше?

Проект удался довольно успешным. Я получил устройство, способное непрерывно работать более пяти часов, поэтому улучшений с точки зрения питания особо не требуется.

Проблема этой сборки заключается в отсутствии звука. Я не встроил в неё никаких динамиков. Пока мне не требуется звук, поэтому я не стал его добавлять, но его определённо можно реализовать, и я планирую заняться этим в улучшенной версии проекта.

Также я хочу добавить отключаемую клавиатуру. Пока это устройство похоже на кибердеку, но из-за отсутствия клавиатуры система выглядит неполной. Это потрясающее устройство в качестве планшета, но кибердеке необходима клавиатура. Над этим я тоже поработаю в будущем.

А пока этот проект можно считать завершённым.

Все ссылки на файлы этого проекта приведены ниже.

Рамка

Задняя часть корпуса

Кнопка

Схема подключения