Raspberry_Pi_12.pdf

(3365 KB) Pobierz

Na warsztacie

SZKOŁA

Poziom tekstu: średnio trudny

To już 12-ty odcinek kursu Raspberry Pi. Numery archiwalne MT

z poprzednimi odcinkami można kupić na www.ulubionykiosk.pl

Raspberry Pi (12)

łączenie logiki

Wykorzystanie Raspberry Pi do kontrolowania innych urządzeń elektronicznych

otwiera przed konstruktorami całą kategorię nowych wyzwań. Nawiązanie

komunikacji między RPi a np. czujnikiem odległości oznacza konieczność

pokonania barier komunikacyjnych – wzajemnego rozumienia „języka”, którym

łączone elementy się posługują. Do tego dochodzą jeszcze zagadnienia typowo

fizyczne – takie, jak kwestie zasilania (napięcie, prąd) i różnych poziomów

napięcia, jakimi mogą operować układy. Są to kwestie na tyle specyficzne,

że często sprawiają problemy Młodym Technikom. Co więcej – pozostawiając

sprawy samym sobie, ryzykujecie uszkodzenie tych układów.

Wyposażenie Raspberry Pi w złącze GPIO umożliwia

łączenie go z wieloma różnymi układami elektro-

nicznymi. Mogą to być urządzenia wejściowe, jak

czujniki zbierające dane o otoczeniu, np. odległo-

ści, koloru, dymu – a nawet kamery termowizyjne.

Urządzenia wyjściowe informują (lub ostrzegają)

otoczenie o wynikach przetwarzania zebranych

danych. Na pewno słyszeliście o różnego rodzaju

wyświetlaczach (diody LED, LCD) oraz układach

generujących dźwięki (buzzery, syreny itp.). Rynek

jest pełen nie tylko poszczególnych elementów, ale

i całych modułów gotowych do podłączenia do jed-

nostki sterującej. Dzięki temu projekty zaczynają

przypominać budowanie z klocków.

Niestety, czasami bywa to złudne. Mimo wielu uła-

twień, każdy układ elektroniczny ma swoją specyficzną

naturę. Wymaga odpowiedniego napięcia zasilania,

pobiera moc, komunikuje się w charakterystyczny dla

siebie sposób. Nie wszystkie klocki pasują do innych

– a niektóre nawet się nie lubią. Weźmy za przykład

kondensatory elektrolityczne. Znajdują się w wielu mo-

dułach. Zasilenie ich niezgodnie z polaryzacją sprawi,

że kondensatory zaczną puchnąć, żeby po chwili eks-

plodować! Oczywiście część układów będzie na taką

ewentualność zabezpieczona. Ale nie wszystkie! Ostra

konkurencja cenowa sprawia, że produkty są „odchu-

dzane” o co mniej efektowne funkcje. Możecie powie-

dzieć, że dioda kosztuje grosze. Przemnóżcie jednak

te grosze przez miliony sprzedanych sztuk, a szybko

zbierze się sumka nie do pogardzenia.

Wnioski z powyższego sprowadzają się do ko-

nieczności uprzedniego dokładnego przyjrzenia się

właściwościom danego modułu. Jakiego napięcia

wymaga, jaki prąd pobiera, jak komunikuje się

z układem sterującym, na co jest wrażliwy.

Rozumu nigdy za wiele

Wśród adeptów budowania własnych urządzeń

elektronicznych (tzw. DYI – ang.

do it yourself,

czyli

rodzime zrób-to-sam) obserwuję niebezpieczną

tendencję do kompletnego zawierzenia wszelkim

poradnikom, których całe mnóstwo można znaleźć

w Internecie. Chciałbym Was szczególnie uczulić

na to, że nie zawsze są one prawdziwe, aktualne

i uniwersalne. Generalnie powinniście zachować

dużą ostrożność i nigdy nie robić niczego na ślepo

czy tylko na podstawie jednego tekstu. Często ich

autorzy idą na różne skróty (specjalnie lub z niewie-

dzy), a przedstawione przez nich rozwiązania mogą

mieć charakter bardzo prowizoryczny. Zazwyczaj

zadziałają – ale czy po pół godzinie nie doprowadzą

do przegrzania jakiegoś układu, znacznie skracając

czas jego życia (czasami do tej właśnie pół godzi-

ny)? Czy po dłuższym okresie używania nie staną

się źródłem zagrożenia? Jest to szczególnie istotne

w dziedzinie budowania automatyki domowej. Tam,

gdzie w grę wchodzą duże napięcia i prądy, napraw-

dę warto zachować rozsądek i na chłodno podejść

do tematu. A zanim zaczniecie grzebać w skrzynce

z bezpiecznikami, może lepiej poradzić się zawodo-

wego elektryka?

Wiele z rozwiązań prezentowanych w Sieci jest

często dokumentowanych po fakcie. Łatwo w ta-

kim przypadku zapomnieć o pewnych istotnych

m.technik – www.mt.com.pl – nr 7/2015

szczegółach. W rezultacie

zainwestujecie w projekt

pieniądze (kupno kompo-

nentów), a na końcu może

się okazać, że nie działa, jak

powinien, lub tak, jak to wy-

gląda na filmiku zamieszczo-

nym przez autora.

Kolejną kwestią są same

komponenty. Nigdy nie

ma nic za darmo. Kupując

„odpowiednik” lub „klon”

kosztujący dziesięć razy

mniej niż firmowy układ,

1. Przetwornica DC-DC, generująca piki napięcia na wyjściu USB, przy pod-

musicie wziąć pod uwagę,

łączaniu i odłączaniu jej od źródła zasilania

że niższa cena nie bierze się

z niczego. Oczywiście, część

ceny każdego produktu stanowią koszty związane

Nie jestem jednak przeciwnikiem tanich kompo-

z jego projektowaniem, dystrybucją i utrzymaniem

nentów (oczywiście pod warunkiem, że nie naruszają

pracowników. Płacicie także za „markę”. Ale część

niczyich praw autorskich, majątkowych itp.). Co więcej

z tych kosztów to również elementy o większych

– uważam, że to głównie dzięki nim i ich masowej

tolerancjach błędów, które potrafią dłużej wytrzy-

dostępności, jesteśmy świadkami boomu na DYI.

mać przeciążenia, są bardziej odporne na zakłóce-

Proponuję jednak, żebyście zawsze podchodzili do nich

nia i spełniają odpowiednie normy środowiskowe.

z pewną rezerwą. Oscyloskop to raczej droga „zabawka”.

Pamiętajcie, że do tych norm w niektórych krajach

Nawet podstawowy model kosztuje co najmniej tysiąc zł.

przykłada się większą wagę niż w innych.

Pozwala jednak na dokładną analizę tego, co dzieje się

W efekcie możecie dostać wyrób modułopodobny,

z układami. Nie raz uratował mi projekt. Jeżeli już macie

który w zasadzie działa, trochę działa, lub czasem

dostateczne przekonanie, że z elektroniką zwiążecie się

działa... Może się okazać, że wymagane są np.

na dłużej – warto w niego zainwestować.

dodatkowe kondensatory filtrujące na zasilaniu (np.

Wiele można się również dowiedzieć za pomocą

klony nrf24l01), albo układ jest dużo mniej stabil-

zwykłego multimetru. Pozwoli Wam stwierdzić, czy

ny niż jego firmowy odpowiednik. Często – idąc

w badanym układzie nie ma przypadkiem żadnych

tropem obniżania kosztów – okrojona jest też sama

zwarć. Warto sprawdzić pod tym kątem każdy nowy

funkcjonalność.

moduł, zanim podłączycie go do Waszego Raspberry.

Problem z niefirmowymi elementami polega

Żeby badać zachowania już uruchomionych ukła-

na tym, że nie zawsze są one odpowiednio udoku-

dów zaopatrzcie się w analizator stanów logicznych.

mentowane. Brakuje odpowiednich schematów.

Ceny najtańszych narzędzi tego typu zaczynają się

Na płytkach umieszcza się tajemnicze przyciski

zazwyczaj od 30 zł – i takie dla amatorów są zazwy-

i zworki, których funkcjonalność można odkryć

czaj wystarczające.

dopiero po zakupie. Dodatkową kwestią jest jakość

Poza tym gorąco namawiam Was do czytania,

wykonania. Zdarzają się elementy po prostu wadliwe.

czytania i jeszcze raz czytania. Nie poprzestawajcie

Jedno z moich Arduino padło ofiarą rozszerzenia (ang.

na jednej stronie www. Spójrzcie na kilka podobnych

shield),

które spinało zasilanie z masą. Efekty takiego

projektów, korzystajcie z zaufanych źródeł – stron

problemu są nietrudne do przewidzenia. Kiedyś natra-

producentów lub firm specjalizujących się w apli-

fiłem na egzemplarz przetwornicy DC-DC z wyjściem

kacji modułów i przede wszystkim oficjalnych not

USB. Wszystko byłoby w porządku, gdyby nie piki

katalogowych. A gdy już będziecie wiedzieli, czego

zasilania generowane przy jej włączaniu. Powodowały

nie rozumiecie – poszukajcie odpowiedzi na specja-

one krótkie, trwające kilkadziesiąt milisekund poja-

listycznych forach. Pod warunkiem zadania pytania

wienia się napięcia. Podłączone do USB urządzenie

dotyczącego unikalnego problemu, na pewno znaj-

włączało się na część sekundy, a potem wyłączało. Nie

dzie się ktoś, kto udzieli fachowej rady.

trzeba chyba Wam tłumaczyć, co mogłoby to oznaczać

I najważniejsze: nie odpuszczajcie. Czasami zrozu-

dla np. twardego dysku czy Raspberry otwierającego

mienie samego problemu zajmuje godziny, dni i ty-

system plików. Problem polega na tym, że są to zacho-

godnie. Ale dzięki poświęconemu czasowi będziecie

wania, które bez porządnego sprzętu laboratoryjnego

mogli odkryć prawdziwą naturę zagadnienia i poznać

raczej ciężko przebadać.

wiele szczegółów, które pozwolą Wam uniknąć po-

W przypadku towarów będących przedmiotem

dobnych sytuacji w przyszłości. Dotyczy to nie tylko

prywatnego importu z Dalekiego Wschodu praktycz-

samego sprzętu, ale również oprogramowania.

nie nie ma możliwości wyegzekwowania gwarancji

Biblioteki dostępne są najczęściej na zasadach

(rękojmi) ani uzyskania pomocy od producenta.

wolnych i otwartych licencji. Taki model pozwala

Na warsztacie

na analizę kodu źródłowego a to z kolei – na zro-

zumienie reguł rządzących daną implementacją.

To wspaniale podnosi poziom wiedzy, umiejętno-

ści i – moim zdaniem – jest jednym z kluczowych

czynników sprzyjających rozwojowi kompetencji

technicznych.

Kod udostępniany na zasadach Open Source może

mieć jednak swoje wady. Czasami jest tworzony

na potrzeby bardzo konkretnego projektu – wca-

le nie z zamiarem bycia uniwersalnym (ta uwaga

dotyczy również rozwiązań sprzętowych). Może

się więc zdarzyć, że nie będzie dokładnie pasował

do Waszych potrzeb. Wtedy pozostaje odpowiednio

go zmodyfikować (najlepiej publikując zmiany dalej,

na potrzeby kolejnych „pokoleń”) lub... poszukać

innej biblioteki. I tak się często dzieje. Powstaje wiele

„klonów” mniej lub bardziej różniących się od ory-

ginalnej pracy – nie zawsze z nią do końca zgodnych

(tzw. kompatybilność wstecz). Miksowanie takich

bibliotek z oryginalnym rozwiązaniem może nie

przynieść spodziewanych efektów.

np. dla Arduino opartego na mikrokontrolerze Atmel

ATMega328p dopiero napięcie 3 V na wejściu będzie

oznaczało „1”; w szczególności:

• logiczne „0” na wyjściu = 0-0,9 V;

• logiczne „0” na wejściu = 0-1,5 V;

• logiczne „1” na wyjściu = 4,2-5 V;

• logiczne „1” na wejściu = 3-5 V.

Dla CMOS’owych urządzeń 3,3 V, jakim jest CPU

Raspberry (zob. [2]), poziomy te będą całkiem inne:

• logiczne „0” na wyjściu = 0-0,5 V;

• logiczne „0” na wejściu = 0-0,8 V;

• logiczne „1” na wyjściu = 2,4-3,3 V;

• logiczne „1” na wejściu = 2-3,3 V.

Zauważcie, że w obydwu przypadkach – dla TTL

i CMOS – istnieje pewna „szara strefa”, gdzie napię-

cie już nie jest „zerem” ale jeszcze nie jest „jedynką”.

I jak to w szarej strefie – nigdy nie wiadomo, jak

zostanie to zinterpretowane.

Załóżmy teraz (czysto teoretycznie!), że podłącza-

my piny GPIO Raspberry bezpośrednio do portów

Arduino. Stan niski na wyjściu pinu Raspberry

to do 0,5 V. Arduino na wejściu za stan niski uważa

napięcie do 1,5 V, więc tu się urządzenia dogadają.

Stan wysoki na wyjściu Raspberry to minimum 2,4 V

– na wejściu Arduino to 3 V. Arduino może więc

uznać taki sygnał za szum. Praktycznie Raspberry

daje na stanie wysokim sygnał pod 3 V – więc tu naj-

prawdopodobniej nie powinno być problemów.

W drugą stronę Raspberry zrozumie „0” z Arduino.

Jednak „1” z Atmela może już uszkodzić Raspberry!

Przyłożenie na piny GPIO napięcia większego niż

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

(Nie)Zgodność charakterów

Udało się Wam już upewnić, że zebrane moduły nie

przedstawiają bezpośredniego zagrożenia dla życia

i portfela. Teraz czas na analizę, czy będą ze sobą

współpracować. W tym tekście zajmę się tylko

komunikacyjną częścią dopasowania elementów

elektronicznych. Sprawdzimy, czy istnieją logiczne

przeszkody, żeby elementy ze sobą „rozmawiały”.

W szczególności przeanalizujemy tu zagadnienia

związane z dopasowaniem poziomów logiki.

Poziomy logiki

Binarne układy cyfrowe posługują się sygnałami

logicznymi o dwóch poziomach. Określamy je jako

„zero” i „jedynkę” lub sygnał „niski” i „wysoki”.

Sygnały te realizowane są przez impulsy o odpo-

wiednim napięciu i minimalnym natężeniu (rzędu

miliamperów). Większość układów posługuje się sys-

temami opartymi na elementach 3,3 V (CMOS) lub

5 V (TTL). Popularnie uważa się, że np. sygnał 0 V

to logiczne „0”, a sygnał 3,3 V lub 5 V (w zależności

od typu układu) to logiczna „1”. W rzeczywistości

posługiwanie się napięciami o dokładnie takich

wartościach byłoby bardzo trudne do realizacji i jed-

nocześnie mało praktyczne. Zamiast konkretnych

wartości, mamy do czynienia z pewnymi przedziała-

mi napięć uważanymi za „0” lub „1”, dodatkowo róż-

nymi na ich wejściu i wyjściu. I tak dla 5 V układów

TTL (zob. [1]):

• logiczne „0” na wyjściu = 0-0,4 V;

• logiczne „0” na wejściu = 0-0,8 V;

• logiczne „1” na wyjściu = 2,7-5 V;

• logiczne „1” na wejściu = 2-5 V.

Oczywiście są to wartości teoretyczne, wynikające

z budowy samych tranzystorów. Praktyczne reali-

zacje mogą się różnić o tolerancje lub specyficzne

warunki – jak w przypadku granicznego 5 V. I tak

2. Zazębianie się poziomów logiki

m.technik – www.mt.com.pl – nr 7/2015

3,3 V (tu: 4,2-5 V) jest niebezpieczne dla Raspberry.

Konieczna jest konwersja napięcia wyjściowego

logiki z Arduino na odpowiedni poziom napię-

cia wejściowego dla Raspberry. Przeanalizujmy

to na podstawie ultradźwiękowego miernika odległo-

ści HC-SR04 oraz cyfrowego czujnika temperatury

DS18B20.

time.sleep(1)

print „Rozpoczynam pomiar”

GPIO.output(TRIG_PIN, True)

time.sleep(0.00001)

GPIO.output(TRIG_PIN, False)

#Czekamy na stan wysoki; uwaga

na wciecie

while GPIO.input(ECHO_PIN) == 0:

impuls_start = time.time()

#to jest odpowiedz czujnika; uwaga

na wciecie

while GPIO.input(ECHO_PIN) == 1:

impuls_koniec = time.time()

#obliczmy ilosc milisekund i odległosc

impuls_czas = impuls_koniec

- impuls_start

odległosc = impuls_czas * 17150

print „Odleglosc: „, odleglosc, „ cm”

Uwaga: funkcja time.time() działa z dokładnością

co do dziesiątek milisekund (2 miejsca po przecinku

sekund) – zależnie od systemu.

Teraz zajmiemy się podłączeniem kabelków – ale

na razie bez pinu

Echo.

Połączcie więc:

• pin

GND

czujnika do pinu 9 Raspberry (ja mam

na 6 podłączony UART);

• pin

VCC

czujnika do pinu 2 Raspberry (zasilanie

5 V);

• pin

Trig

czujnika do pinu 7 Raspberry (GPIO4);

• pin

Echo

czujnika – na razie niepodłączony.

Dodatkowo do czujnika podłączyłem analizator

logiczny. Przejściówka UART-USB pozwoliła mi

na łatwą komunikację (podłączona GND – pin 6,

Rx/Tx do pinów 8 i 10). Układ testowy wyglądał jak

na ilustracji

Wydruk z analizatora logicznego znajdziecie

na ilustracji

Długi impuls na Echo miał czas

3. Testowanie czujnika HC-SR04

Ultradźwiękowy czujnik

odległości HC-SR04

Ultradźwiękowy miernik odległości HC-SR04 ma

cztery piny: dwa opisane jako

Trig

i Echo odpowie-

dzialne za wymianę danych, masę oraz zasilanie Vcc

(zob. [3]). Czujnik wymaga zasilania 5 V i posługuje

się logiką TTL. Zgodnie ze specyfikacją pobiera

ok. 15 mA prądu, co mieści się w zakresie możli-

wości pinu 2 (5 V) Raspberry. Jego obsługa polega

na podaniu impulsu na pin

Trig

(od ang.

trigger

– wyzwalacz) i obserwacji odpowiedzi na pinie

Echo.

Sekwencja wygląda tak:

• wystaw krótki sygnał wysoki na pin

Trig

(Python:

time.sleep(0.0001));

• zaczekaj aż pin

Echo

zmieni swój stan na wysoki;

• zmierz czas, przez który pin

Echo

utrzymuje się

w stanie wysokim;

• pomnóż zmierzony czas przez 17 150, a otrzy-

masz odległość do przeszkody w cm.

Napiszmy teraz w Pythonie program, który pozwo-

li nam przeprowadzić doświadczenie. Wymagane jest

zainstalowanie biblioteki Rpi.GPIO (preinstalowana

w większości nowszych dystrybucji):

$ sudo apt-get install python-rpi.gpio

Otwórzcie nowy skrypt w edytorze

nano

(na pod-

stawie [4]; uwaga na wcięcia charakterystyczne dla

Pythona):

$ nano dist.py

#importujemy biblioteki

import RPi.GPIO as GPIO

import time

#Numeracja portow wedlug BCM i wylacze-

nie ostrzezen

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setwarnings(False)

#Piny odpowiedzialne

dzenia, fizyczny 7

TRIG_PIN=4

#Piny odpowiedzialne

dzenia, fizyczny 11

ECHO_PIN=27

#ustawiamy ktory pin

a ktory wejsciem

GPIO.setup(TRIG_PIN,

GPIO.setup(ECHO_PIN,

za wysylanie pobu-

za odebranie pobu-

jest wyjsciem

GPIO.OUT)

GPIO.IN)

#Poczekaj na ustalenie czujnika

GPIO.output(TRIG_PIN, False)

Na warsztacie

trwania ok. 0,9 ms, daje

to ok. 15,5 cm – co zgadzało

się z odległością czujnika

od testowej przeszkody.

Pobudzenie działa, kod

gotowy – dlaczego jesz-

cze nie podłączyłem

Echo

do Raspberry? Żeby Wam

to dokładnie pokazać,

zamiast analizatora logicz-

nego użyję oscyloskopu

(ilustracja 5).

Widać tu, że o ile pobu-

dzenie jest na poziomie 3,3 V

– odpowiedź ma 5 V! To zde-

cydowanie może zaszkodzić

Raspberry. Wyniki zgadzają

się z teoretyczną dysku-

sją z początku tego tekstu.

Czujnik, będąc układem TTL,

na wejściu jako logiczną „1”

oczekuje napięcia co najmniej

2 V. CMOS’owy Raspberry

na wyjściu podaje od 2,4 V.

To sprawia, że czujnik „rozu-

mie” pobudzenie z Raspberry

i poprawnie na nie odpowia-

da. Zgodnie z teorią – odpo-

wiada sygnałem 5 V na pinie

Echo.

Taka wartość napięcia

jest jednak niebezpieczna dla

Raspberry!

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

4. HC-SR04 pobudzony z Raspberry odpowiada na wyjściu

Echo

sygnałem

o długości odpowiadającym odległości od wykrytej przeszkody

Konwersja

poziomów logiki

5. Pobudzenie i odpowiedź czujnika HC-SR04 na wydruku z oscyloskopu

dwukierunkowa pozwala natomiast na łączenie ukła-

dów porozumiewających się np. za pomocą protoko-

łu i2c. Stosując konwertery w Waszych realizacjach,

musicie być świadomi takich właściwości i odpo-

wiednio dobierać ich piny do potrzeb (ilustracja

6).

Schemat podłączenia Raspberry do czujnika

odległości HC-SR04 poprzez konwerter z liniami

jednokierunkowymi (lewy na ilustracji 6) przedsta-

wiłem na ilustracji

Zauważcie, że:

• po stronie „HIGH” podłączacie napięcie 5 V

z Raspberry i wejścia/wyjścia czujnika;

• po stronie „LOW” podłączacie napięcie 3,3 V

i GPIO z Raspberry;

• musicie zwrócić uwagę, które z linii są jednokie-

runkowe – tutaj H2 do L2 i H3 do L3.

Wniosek z powyższego: konwertery są proste

w używaniu, nie trzeba się ich obawiać. Ich ceny

kształtują się na poziomie kilku zł, nie obciążą więc

znacząco budżetu. Niestety, wymagają dodatkowych

podłączeń, co w ciasnych obudowach może być

kłopotliwe. Jeżeli planujecie używać wielu układów

operujących różnymi poziomami logiki (np. czuj-

niki), musicie w swoim projekcie uwzględnić kilka

dodatkowych elementów i kabli.

Do „tłumaczenia” różnych poziomów logiki stosuje

się gotowe układy, tzw. konwertery poziomów logicz-

nych. Zamieniają one sygnały 5 V na 3,3 V – w jed-

ną lub obydwie strony. Każdy z takich modułów

wymaga podłączenia zasilania 5 V i 3,3 V oraz masy.

Pozostałe piny służą do łączenia linii logiki.

Poszczególne realizacje takich konwerterów mogą

się od siebie znacząco różnić. Niektóre z nich oferują

linie jednokierunkowe – gdzie napięcia konwer-

towane są jedynie z wyższych na niższe. Praca

6. Konwertery logiki: niektóre linie są jednokierunko-

we (z lewej produkowany przez msx-elektronika.pl)

m.technik – www.mt.com.pl – nr 7/2015

Plik z chomika:

KresPas

Inne pliki z tego folderu:

Punnet_net_Alpha3.pdf (25 KB)
BCM2835 ARM Peripherals.pdf (1454 KB)
Quick Start Guide RoseberyPI.pdf (379 KB)
Raspberry_Pi_1.pdf (1369 KB)
Raspberry_Pi_2.pdf (334 KB)

Raspberry_Pi_12.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: