Vývody GPIO Raspberry Pi: jak to funguje?

Co je GPIO Raspberry Pi ? Co to je?

GPIO (General Purpose Input Output) je nejzákladnějším aspektem minipočítače Raspberry Pi. Piny GPIO jsou digitální, což znamená, že mají dva stavy: Jsou to dva typy výstupů: ON nebo OFF (zapnuto nebo vypnuto). Mohou mít směr příjmu nebo odeslání (vstup/výstup).

GPIO na Raspberry Pi má mnoho různých typů pinů. Pokud chcete zjistit, které piny jsou zodpovědné za uzemnění, které za napájení a které můžeme použít pro komunikaci, zadáme do příkazového řádku Raspberry “pinout”.

Raspberry Pi GPIO – programování

Jejich stav a směr můžeme ovládat pomocí vhodných programovacích jazyků, jako je Python, JavaScript, node-RED atd.

Piny GPIO pracují s napětím 3,3 V a maximální proudovou zátěží 16 mA. To znamená, že můžeme bezpečně napájet jednu nebo dvě LED diody z jednoho pinu GPIO přes rezistor. Nicméně pro cokoli, co spotřebovává více proudu, jako např. stejnosměrný motor, budeme potřebovat externí součástky. Jinak bychom mohli poškodit náš počítač Raspberry Pi.

Ovládání pinů GPIO programováním v jazyce Python vyžaduje import příslušných knihoven s předem připraveným kódem. Nejoblíbenější knihovnou je RPi.GPIO, která se používá při vytváření tisíců projektů. Po ní následovala knihovna s názvem GPIO Zero, vytvořená pro začínající uživatele jazyka Python a elektroniky. Obě knihovny byly zabudovány do systému Raspbian.

Názvy jednotlivých pinů GPIO Raspberry Pi

Jednotlivé piny GPIO mají mnoho názvů. První nejzřetelnější název je fyzické umístění GPIO. Počínaje levým horním rohem GPIO je pin nejblíže slotu GPIO. karty microSD, máme pin 1, který zajišťuje napájení 3,3 V. Napravo od tohoto pinu je fyzický pin 2, který poskytuje 5 V. Čísla pinů se zvyšují, jak postupujeme dolů po jednotlivých sloupcích, přičemž pin 1 přechází na piny 3, 5, 6 a tak dále, až se dostaneme na pin 39. Každý pin v tomto sloupci má liché číslo. Ve sloupci začínajícím na pinu 2 to bude 4, 6, 8 atd. až do pinu 40. Fyzické číslování pinů je nejzákladnějším způsobem lokalizace pinů, ale mnoho výukových programů uvádí jiné pořadí číslování.

Číslování Broadcom (BCM) jako číslování GPIO Raspberry Pi, vypadá pro začínající uživatele chaoticky. GPIO17, 22 a 27 následují jeden za druhým, aniž by se myslelo na logické číslování. Mapování pinů BCM se týká pinů GPIO, které jsou přímo připojeny k SoC na Raspberry Pi. Díky tomu máme k dispozici přímé propojení s mozkem Raspberry Pi pro připojení senzorů a komponent potřebných pro náš projekt.

Většina návodů pro Raspberry Pi používá toto schéma číslování, protože toto schéma je oficiálně podporováno nadací Raspberry Pi Foundation. Nejlepším postupem je používat a naučit se číslovací schéma BCM. Číslování BCM a GPIO se vztahuje ke stejnému schématu. Například GPIO17 je stejné jako BCM17.

Některé piny RPI GPIO mají také alternativní funkce. Umožňují připojení k různým typům zařízení pomocí protokolů I2C, SPI nebo UART. Například GPIO13 a GPIO4 jsou zároveň piny SDA a SCL sběrnice I2C. Používají se k připojení k zařízením používajícím tyto protokoly. Tato rozhraní musí být aktivována v konfiguraci operačního systému Raspbian.

Náš obchod nabízí rozšíření GPIO pro Raspberry Pi, které umožňuje přenést piny GPIO z Raspberry Pi na prototypovou desku.

I2C, SPI, UART: který použít?

Rozdíly mezi I2C, SPI a UART jsou popsány níže, ale pokud se ptáte, který z nich použít pro připojení vašeho zařízení, krátká odpověď zní: podívejte se na specifikaci produktu. Například malý LED displej vyžaduje použití komunikace SPI, zatímco jiný může vyžadovat použití I2C. V dokumentaci k výrobku se obvykle dozvíte, jaké piny jsou pro připojení vyžadovány.

I2C

I2C je bezplatný dvouvodičový protokol pro připojení zařízení využívajících standard I2C. Zařízení používající tento standard mají vztah master a slave. Může existovat více než jeden master, ale každé zařízení slave vyžaduje jedinečnou adresu získanou výrobcem. To znamená, že můžeme používat více zařízení na jednom připojení I2C, protože každé zařízení je jedinečné a je zjistitelné uživatelem a počítačem pomocí příkazů, jako je i2cdetect.

Jak již bylo zmíněno, I2C má dvě připojení SDA a SCL. Fungují tak, že posílají data na SDA a z něj rychlostí řízenou pinem SCL. I2C je jednoduchý způsob připojení mnoha zařízení, jako jsou displeje LCD/OLED, teplotní čidla a převodníky D/A, které používají fotorezistory.

Raspberry Pi má dvě připojení I2C v GPIO 2 a 3 (SDA a SCL) pro i2C0 (master) a fyzické piny 27 a 28 jsou piny I2C, které umožňují komunikaci s kompatibilními překryvnými kartami HAT.

SPI

Jedná se o další protokol pro připojení kompatibilních zařízení k počítači Raspberry Pi. Je podobný protokolu I2C, protože mezi Raspberry Pi a připojeným zařízením existuje vztah master a slave.

SPI se obvykle používá k přenosu dat na krátké vzdálenosti mezi mikrokontroléry a komponentami, jako jsou posuvné registry, senzory nebo karty SD. Data jsou synchronizována pomocí hodin (SCLK na GPIO11) z nadřazeného počítače. Data jsou zase přenášena z počítače Pi do našeho zařízení SPI prostřednictvím pinu MOSI (GPIO10). MOSI znamená Master Out Slave In. Pokud součástka potřebuje odpovědět našemu počítači Pi, pošle data zpět pomocí pinu MISO (GPIO9), což znamená Master In Slave Out.

UART

Běžně známý jako “sériový” pin UART (“Transmit” GPIO14, “Receive” GPIO15) umožňuje přihlašování ke konzoli/terminálu bez nutnosti použití klávesnice nebo jiného ukazovacího zařízení. Nejjednodušší způsob bezdrátového ovládání počítače Raspberry Pi je přes síť nebo USB.

Pokud však nemáte připojení k internetu, můžete ovládat Raspberry Pi pomocí sériového kabelu nebo modulu převodníku USB na sériové rozhraní ve spojení s počítačem pomocí terminálové konzoly. UART je mimořádně spolehlivý a poskytuje přístup k Raspberry Pi bez nutnosti dalšího vybavení. Jen nezapomeňte povolit sériovou konzoli v aplikaci pro ovládání Raspberry.

Zem (GND)

Zem se běžně označuje jako GND, gnd nebo -. GND je místo, kde lze měřit všechna napětí a kde lze dokončit elektrický obvod. Je to náš nulový bod a připojením součástky, například LED diody, ke zdroji napájení a GND se součástka stane součástí obvodu a LED diodou začne protékat proud a vytvářet světlo.

Při sestavování obvodů je vždy vhodné provést uzemnění před připojením jakéhokoli napětí, zabráníte tak možnému poškození citlivějších součástek. Raspberry Pi má osm vodičů GND na GPIO. Volba zemnicího kolíku tedy závisí na osobních preferencích nebo pohodlí při připojování součástek.

5V

Piny 5 V poskytují přímý přístup k napájení 5 V ze síťového adaptéru. Raspberry může být napájeno přímo z těchto pinů a může také napájet jiná 5V zařízení. Při přímém použití těchto pinů buďte opatrní a před připojením zkontrolujte napětí, protože obcházejí všechny bezpečnostní prvky, jako je regulátor napětí a pojistka, které chrání minipočítač.

3V3

Vývod 3 V poskytuje stabilní napájení 3,3 V. Ve skutečnosti je tento pin do sestavy zařazen jen zřídka, ale má speciální využití. Po připojení LED diody ke GPIO se ujistíme, že je LED dioda správně připojena a svítí. Připojením nohy LED, anody, k pinu 3,3 V přes rezistor a kratší nohy, katody, k GND můžeme zkontrolovat, že naše LED svítí. Tím jsme odstranili hardwarovou chybu v návrhu a můžeme bez obav začít stavět náš projekt.

Zdroj: https://www.tomshardware.com/reviews/raspberry-pi-gpio-pinout,6122.html