Одна из основных функций одноплатных компьютеров семейства Raspberry Pi — обеспечивать взаимодействие с разнообразной периферией. Это могут быть датчики, реле и двигатели, лампочки и прочие исполнительные модули и блоки. За такое «общение» отвечает встроенный в платы Raspberry Pi GPIO — интерфейс ввода-вывода. Рассмотрим его подробнее на примере RPi 3 B.
GPIO — сокращение, означающая General-Purpose Input-Output, или общий интерфейс ввода/вывода. Он содержит цифровые входы и выходы для подключения датчиков, разнообразных контроллеров, дисплеев, реле и прочей электронной периферии. Внешне GPIO похож на «гребенку» из штырьков-пинов. В Raspberry Pi 3 его внешний вид таков (в верхней части платы):
Колодка GPIO Raspberry чем-то напоминает интерфейс подключения жестких дисков IDE.
Для правильной работы через GPIO необходимо знать конфигурацию пинов. В Raspberry Pi распиновка такова:
Разъемов питания 4. Прочие пины способны выступать в роли входа или выхода. Кроме того, некоторые из них многофункциональны и могут работать как интерфейс UART, I2C, SPI или ШИМ.
Рассмотрим более подробно устройство «гребенки».
Число пинов на колодке GPIO Raspberry Pi 3 равняется 40. Они пронумерованы и делятся на три группы:
Первые необходимы для подачи электричества разных напряжений — 3.3 и 5 В. Разница между ними была рассмотрена выше. Вторые обеспечивают безопасность работы платы, отводя электричество. А третьи выступают в качестве интерфейсов, принимая и отдавая данные. Именно к ним пользователь подключает свои модули и приборы.
Схема пинов Raspberry Pi 3 Model B:
На данной схеме pinout выводы пронумерованы по следующему принципу:
Выходы 1 и 17 обеспечивают питание 3.3 В, 2 и 4 — для 5 В. «Земля» расположена на 9, 25 и 39, и на 6, 14, 20, 30, 34. Прочие контакты — интерфейсные порты.
При работе необходимо учитывать несколько важных моментов:
Важно помнить: все «ножки» колодки соединены с процессором напрямую, некорректные операции и неверное подключение способно привести к полной неработоспособности платы.
Поэтому при правильном проектировании приспособлений с большим количеством используемых выводов GPIO схема должна предусматривать дополнительные меры безопасности. Желательно делать защитные развязки электронными ключами, через трансформаторы напряжений и различные буферы.
Как правило, RPi3 работает под управлением ОС семейства Linux (Raspbian или другой). Сразу после загрузки системы напряжение на пинах низкое и остается таковым до изменения запустившимся скриптом или программой. Но в промежуток от подачи электропитания до инициализации системных драйверов пины в произвольном порядке способны выдавать высокое напряжение. Это следует учитывать и изолировать по питанию входы-выходы в процессе запуска системы.
Внешние модули можно подсоединять к любым портам «гребенки» GPIO. Но есть два особенных, которые плата резервирует для специфических задач. На обычной схеме их номера — 27 и 28. Они предназначены для плат расширения, и желательно не использовать их без необходимости.
Выше рассматривались номера пинов. Но важно понимать, что заложенная в центральный процессор логическая нумерация отличается от приведенной на схеме физической. Ее особенности:
Этот принцип следует учитывать при создании кода, поскольку ПО ориентируется именно на логические номера. Их схема:
У новичков это может вызвать недоумение и путаницу. Для помощи в решении проблемы существует программная библиотека Wiring Pi с собственной альтернативной нумерацией. Так, логический GPIO2 в ней определен как WIringPI 8. Это может показаться непонятным, но после освоения библиотеки ее принцип нумерования становится привычным и удобным.
Интерфейсная гребенка позволяет работать с собой несколькими путями:
Если использовать Raspbian, «баш» доступен по умолчанию. Пример отправки логического «1» на пин номер 25:
sudo su -
echo 25 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio25/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio25/value
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio25/value
Чтение данных со входа номер 24:
echo 24 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio24/direction
cat > /sys/class/gpio/gpio24/value
Питон — один из самых популярных языков разработки под Raspberry, и в нем создан богатый инструментарий. В последних дистрибутивах ОС Raspbian уже присутствует и сама среда Python, и необходимая для работы библиотека RPi.GPIO. Если же таковой нет, ее можно загрузить из репозитория:
sudo apt-get install python-rpi.gpio
Далее необходимо подгрузить этот модуль в программу:
import RPi.GPIO as GPIO
Далее следует определиться с порядком нумерации — брать ли «физический» по номерам портов на микрокомпьютере, или использовать принцип обращения по номерам процессорных каналов (BCM):
GPIO.setmode (GPIO.BOARD)
GPIO.setmode (GPIO.BCM)
Преимущество первого пути — универсальность: он будет работать с любой ревизией контроллера. BCM обращается непосредственно к каналам процессора на более низком уровне.
На следующем шаге выбирается режим работы портов input или output.
GPIO.setup(channel, GPIO.IN)
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)
Сразу же можно определить начальное состояние выходов RPi3:
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, GPIO.LOW)
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, GPIO.HIGH)
Команда на чтение информации со входа:
GPIO.input(channel)
Запись значения на выход GPIO:
GPIO.output(channel, state)
Рассмотрим пример взаимодействия RPi3 и простой схемы со светодиодом через написанную на Python программу.
Для начала понадобится «малинка» с установленным ПО и средой разработки, макетная плата, диод, кнопка и резисторы. Схема подключения приведена ниже:
Здесь R1 имеет сопротивление 10 кОм, R2 — 1 кОм, а резистор R3 — 220 кОм.
Что обеспечивает подобная модель:
Написанный на Python скрипт включения-выключения лампочки:
Import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode (GPIO.BCM)
GPIO.setup (4, GPIO.OUT)
GPIO.output (4, 1)
GPIO.cleanup ()
Для «моргания» диодом:
import RPi.GPIO as GPIO #импорт библиотеки дл¤ работы с GPIO
import time #импорт библиотеки дл¤ ожидани¤
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #"запуск" GPIO
GPIO.setup(4, GPIO.OUT) #объ¤вл¤ем 4 порт как выход
while True: #цикл
GPIO.output(4, 1) #вкл светодиода
time.sleep(1) #пауза 1 с
GPIO.output(4, 0) #выкл светодиода
time.sleep(1) #пауза 1 с
Включение лампочки с кнопки:
import RPi.GPIO as GPIO #импорт библиотеки дл¤ работы с GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #"запуск" GPIO
GPIO.setup(4, GPIO.OUT) #объ¤вл¤ем 4 порт как выход
GPIO.setup(3, GPIO.IN) #объ¤вл¤ем 3 порт как вход
while True: #цикл
if GPIO.input(3) == False: #если кнопка нажата
GPIO.output(4, 1) #вкл светодиода
else:
GPIO.output(4, 0) #выкл светодиода
Пример управления выходами с клавиатуры:
import RPi.GPIO as GPIO #импорт библиотеки дл¤ работы с GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #"запуск" GPIO
GPIO.setup(4, GPIO.OUT) #объ¤вл¤ем 4 порт как выход
while True: #цикл
str = input("Enter - вкл, другое - выход ");
if str != "":
break
else:
GPIO.output(7, 1)
str = input("Enter - выкл, другое - выход ")
if str != "":
break
else:
GPIO.output(7, 0)
GPIO.cleanup()
Готовую программу следует сохранить в удобную папку и запустить командой Питона:
sudo python путь_к_исполняемому_файлу/имя_программы.py
Python предоставляет широкое поле возможностей для программирования «Распберри» и позволяет реализовывать гораздо более сложные схемы. Кроме того, с платой можно взаимодействовать на практически любом распространенном языке — одном из семейства C, Perl, Erlang и другое. Существуют даже реализации проектов на Java и HTML5.
GPIO — удобное и универсальное решение, позволяющий подключать к RPi 3 разнообразную периферию и программировать ее поведение на одном из привычных языков. Логика взаимодействия довольно проста, а GPIO, как и сама «малинка», хорошо документирован, что обеспечивает легкий вход в программирование с использованием этого интерфейса даже новичкам в мире IT.
Начинающим можно порекомендовать язык Python, как несложный в освоении и логичный. В нем присутствуют все необходимые библиотеки работы с GPIO, ускоряющие и упрощающие процесс разработки.
(средняя: 4,00)
Загрузка...
