Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi. Часть 2

Raspberry Pi

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2017

Часть 1

Цифровые входы RPi

Типичный пример: кнопки

Порты GPIO могут быть преобразованы в цифровые входы, состояние которых отслеживается программно. Простейший пример использования входов – подключение обычной кнопки (Рисунок 11).

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 11. Кнопка подключена к разъему GPIO платы RPi.

Принципиальная схема подключения кнопки изображена на Рисунке 12. Обратите внимание, что на макетной плате остается подключенным и светодиод из примера в первой части статьи, но на текущей схеме он не показан.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 12. Схема подключения кнопки к разъему GPIO.

Как видно из схемы, если кнопка не нажата, вход GPIO5 будет подключен через резистор к шине 3.3 В. Входной порт RPi имеет высокое входное сопротивление, поэтому напряжение на входной линии будет близко к 3.3 В. Это означает, что при отпущенной кнопке RPi будет определять состояние входа как «лог. 1». Когда кнопка нажата, напряжение на входе будет равно 0 В, что является «лог. 0».

Для этой простой схемы величина сопротивления резистора R1 некритична и может находиться в диапазоне от 1 кОм до 47 кОм, однако низких значений следует избегать, поскольку в этом случае увеличивается ток, потребляемый при нажатии кнопки.

Исходный код программы для чтения состояния кнопки доступен в разделе загрузок (файл с именем Listing_4(Button).txt). Сохраните код в файле с именем button-test.py и запустите на выполнение командой

sudo python button-test.py.

Результат выполнения программы выводится на экран в виде сообщения о текущем состоянии кнопки и количестве нажатий на нее. При выполнении этого примера вы заметите, что иногда значение счетчика становится больше реального количества нажатий на кнопку, и это происходит из-за «дребезга» контактов. Примерно то же самое происходит и при отпускании кнопки. Решение состоит в использовании механизма подавления «дребезга» контактов (debouncing). Этот механизм может быть как аппаратным, так и программным, причем последний распространен больше. В исходном коде, приведенном в файле Listing_5(Button_Debounce).txt, подавление дребезга контактов кнопки реализовано, и подсчет количества нажатий кнопки будет более точным. Единственное отличие от предыдущего кода заключается в том, что теперь с задержкой 20 мс выполняется вторая проверка состояния входа – за это время дребезг контактов прекращается.

Еще один пример: вольтметр

Как известно, платы RPi имеют только цифровые порты ввода/вывода, но в реальном мире используются аналоговые величины, которые, возможно, необходимо измерять, или контролировать. В следующем примере демонстрируется преобразование аналоговой величины в цифровой сигнал, который можно прочитать с помощью входов RPi.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 13. Принципиальная схема вольтметра для измерения
напряжения с помощью RPi.

Примером может служить очень простой, но точный вольтметр с диапазоном измерений 0 … 1 В (Рисунки 13, 14). Учтите, что заменить портативный мультиметр он не может, поскольку не имеет необходимых цепей защиты, и может выйти из строя сам или повредить плату RPi, если используется для чего-либо, выходящего за рамки описанных здесь примеров.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 14. Схема вольтметра, собранная на макетной плате.

В схеме используется микросхема AD654 (преобразователь напряжение-частота), которая генерирует прямоугольные импульсы с частотой, зависящей от входного напряжения. Цифровой выход Fout микросхемы подключен к входу GPIO5 (вывод 29 разъема GPIO). Максимальная частота прямоугольных импульсов при указанных на схеме номиналах элементов равна 10 кГц, поэтому для определения входного напряжения нам потребуется точная система отсчета времени. Код для этого примера (файл Listing_6(Voltmeter).txt) написан на Си и использует библиотеку wiringpi, написанную Гордоном Хендерсоном (Gordon Henderson). Прежде всего, установите библиотеку wiringpi, для чего выполните следующие команды:

mkdir development
cd development
git clone git://git.drogon.net/wiringPi
cd wiringPi
./build

Сохраните код в файле с именем voltmeter.c и скомпилируйте его командой

gcc -o voltmeter -lrt -lwiringPi voltmeter.c.

Чтобы запустить программу, выполните следующую команду:

sudo ./voltmeter.

Для повышения точности измерений в программе используется усреднение данных. Длительность входных прямоугольных импульсов быстро измеряется 64 раза, затем полученные значения суммируются и делятся на 64. По окончании вычислений включается задержка на одну секунду для выполнения других процессов, и затем цикл измерения повторяется

Несколько элементов в схеме вольтметра также влияют на точность измерений. Конденсатор С1 и резистор R1 задают характеристики преобразования, поэтому желательно выбрать пленочный полипропиленовый конденсатор и точный резистор с допуском 1%. Можно использовать подстроечный резистор. Напряжение питания схемы 5 В поступает с разъема GPIO, но его реальное значение может несколько отличаться от 5 В, поэтому лучше использовать отдельный более точный источник питания.

Для быстрой проверки схемы можно использовать делитель напряжения, состоящий из двух резисторов. Схема включения делителя показана в левой части схемы вольтметра (Рисунок 12). Если резисторы прецизионные и напряжение питания в точности равно 5 В, расчет напряжения на выходе делителя дает 0.04950 В. Значение, полученное в результате реального программного измерения, составило 0.04991 В. Неплохо для такого простого проекта!

Диоды Шоттки D1 и D2 в схеме не являются обязательными, но настоятельно рекомендуются, поскольку они обеспечат некоторую защиту микросхемы, если случайно на вход будет подано напряжение вне диапазона 0…1 В.

Советы, касающиеся использования входов

Защищенные входы

RPi можно защитить от случайного попадания высокого напряжения, добавив к используемым входам дополнительную схему. В некоторых случаях очень хорошей и недорогой альтернативой показанной ниже схеме (Рисунок 15) может служить оптрон, способный защитить входы RPi от напряжений до 60 В и справится с переполюсовкой. Транзистор BC547B в схеме на Рисунке 14 можно заменить на 2N3904 или BC549. Допустимая мощность рассеивания резистора R1 может быть 0.25 Вт при входных напряжениях до 50 В, в противном случае лучше использовать 0.5 Вт.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 15. Дополнительная схема для защиты входов RPi.

Схема инвертирует входной сигнал, переключаясь в «лог. 0» при входном напряжении свыше 2 В.

Подключение к 5-вольтовй логике

Прямое подключение устройств с 5-вольтовыми логическими выходами к входам RPi может вывести плату из строя. В этом случае есть множество решений.

Если состояние 5-вольтового логического выхода меняется относительно медленно, можно рассмотреть возможность использования резистивного делителя на входе RPi, но к быстрым схемам такой способ не применим. Тогда намного более хорошим решением будет использование буферной микросхемы. Для средних скоростей (до 100 кГц) вполне подойдет схема на N-канальном MOSFET ZVN2110A (Рисунок 16). Эта схема также инвертирует входной сигнал.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 16. Схема простого преобразователя логических уровней.

Показанный на схеме транзистор можно заменить на ZVNL120A или VN10LP.

При пайке полевых транзисторов следует соблюдать основные меры предосторожности. При сборке устройства сначала установите резистор R3 и только после этого извлеките MOSFET из защитной упаковки и запаяйте в схему. Резистор R3 обеспечит некоторую защиту.

Скорость работы и джиттер

Опрос состояния кнопок и управление светодиодами – события относительно медленные, измеряющиеся десятками и сотнями миллисекунд. Иногда встречаются намного более высокоскоростные сигналы. Например, пульт от телевизора излучает инфракрасные световые импульсы со скоростью 40 тыс. раз в секунду. Несмотря на то, что основной процессор RPi работает на частоте 1 ГГц, работа подсистемы ввода/вывода с такой скоростью не поддерживается по ряду причин, как аппаратных, так и программных. Мы рассмотрим некоторые программные аспекты, касающиеся темы статьи.

RPi работает под управлением многозадачной операционной системы (ОС) Linux. Система может превентивно забирать контроль над вашей программой для выполнения других задач. Все это происходит довольно быстро, так что кажется, будто мышка по-прежнему работает во время выполнения вашей программы, но на самом деле вашей программе и коду драйвера мыши ОС предоставляет лишь короткие промежутки времени.

Обычно это не имеет значения, но когда вам нужна обработка коротких или высокоточных событий, это может стать проблемой, проявляющейся (например) в виде джиттера.

Кроме того, немаловажное значение имеет выбор языка программирования, поскольку некоторые библиотеки подходят лучше, чем другие. Интерпретированные и компилированные коды могут выполняться с разными скоростями. Короче говоря, если требуется очень точная временнáя привязка событий, возможно, придется написать драйвер Linux или использовать внешнее оборудование (например, другой микроконтроллер или логические схемы и генератор).

Одним из хороших вопросов, важных для более полного использования возможностей RPi, является то, насколько быстро можно изменять логические состояния выходов GPIO с помощью библиотек Python, Си и описанного выше командного скрипта.

Чтобы узнать это, был написан код для периодического переключения логического состояния выходного порта, к которому был подключен осциллограф. Результат представлен в Таблице 1.

Таблица 1. Максимальная частота переключения выходов при
использовании различных языков программирования
Язык
программирования
Частота Длительность
высокого уровня
Длительность
низкого уровня
Python 71.2 кГц 3.9 мкс 10.1 мкс
Си 5.8 МГц 85 нс 85 нс
Командный скрипт 3.9 кГц 115 мкс 139 мкс

Однако всегда важно помнить о джиттере, которым обязательно сопровождается работа ОС Linux. Для случая простого переключения светодиода это, кончено же, не проблема. Характер джиттера можно увидеть на осциллографе в режиме наложения нескольких каналов при синхронизации общим сигналом (Рисунок 17). Обратите внимание, что джиттер может принимать множество значений, несмотря на то, что сигналы дискретно разнесены на 4 нс (250 МГц), что связано с аппаратными особенностями RPi.

Что нужно знать о портах ввода-вывода Raspberry Pi
Рисунок 17. Следствием использования ОС Linux становится
джиттер выходного сигнала.

Заключение

Теперь вы увидели, что 40-контактный разъем GPIO на платах RPi может использоваться для различных проектов – от управления светодиодами до электронных схем для измерения аналоговых величин. С небольшими дополнительными схемами адаптации логических уровней RPi может взаимодействовать 5-вольтовыми устройствами. С помощью Python очень легко управлять выходами, так же как не представляет сложности и чтение состояния входов, а библиотека wiringpi значительно упрощает управление программистам, использующим Си.

Загрузки

  1. Исходные коды примеров программ ко второй части статьи

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD654
  2. Datasheet Diodes ZVN2110A
  3. Datasheet Diodes VN10LP

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Raspberry Pi GPIO Explained. Part 2

Цена Raspberry PiRaspberry Pi на РадиоЛоцман.Цены — от 191 до 6 293 руб.
23 предложений от 16 поставщиков
RASPBERRY-PI3-CASE  новый официальный корпус для Raspberry Pi Бокс специально спроектирован для Raspberry Pi 3 Model B Он надёжно защитит ваш контроллер...
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ТриемаКорпус для RaspberryPi 2 прозрачный191 руб.
Стандарт СИЗSamsungRASPBERRY-PI / PROG-4GB-SDCARD205 руб.
Берёзка Электронные КомпонентыSamsungRASPBERRY-PIот 571 руб.
КимSamsungRASPBERRY-PI / PROG-4GB-SDCARD611 руб.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя