Raspberry pi 3 программирование. Программирование Raspberry Pi

В 2011 году одноплатный компьютер Raspberry Pi был выпущен для тех, кто устал искать готовые решения и решил творить технологическое окружение самостоятельно. В то время как Arduino – это игрушка в большей степени для любителей работать руками, «малиновый» продукт – разминка мозга для программистов.

Всего за 6 лет под Raspberry были адаптированы почти все популярные языки программирования. Какие-то имеют существенные ограничения, какие-то работают на полную катушку. Рассмотрим 9 представителей второй категории.

Scratch

Официальный сайт предлагает пользователям Raspberry первый делом обратиться к Scratch. Исходники языка уже включены в стандартную операционную систему Raspbian. Начать создание IoT с помощью Scratch может как взрослый специалист, так и совсем ещё ребёнок. Недаром он всего за 10 лет выбился в топ-20 языков по числу запросов в поисковиках.

Python

Возможно для вас это будет сюрпризом, но Pi в названии – это не математическая константа, а отсылка к Python. IDLE, стандартная среда разработки программ на Raspberry, работает как раз на змеином языке. На официальном сайте в разделе документация вы найдёте базовое руководство . Кроме того, благодаря Python Games и их исходникам, вы познакомитесь с возможностями языка.

HTML5 и CSS3

Компьютеры Raspberry Pi подходят для создания систем IoT, а встроенный браузер Epiphany - подходящий клиентский интерфейс. Это значит, что без языков веба не обойтись. HTML5 и CSS3 позволят вам решить вопрос создания виртуальной оболочки умного дома с минимальными затратами времени и незначительными ограничениями.

JavaScript

JavaScript - динамическая сила Raspberry Pi. Вы сможете поработать с ним благодаря платформе Node.js, позволяющей вам создавать десктопные и веб-приложения. Не стоит забывать про библиотеку jQuery, которая работает в любом браузере, и наполняет его привычными динамическими функциями.

Java

Возможность запустить Java-код на любой платформе – главная концепция языка. И эта концепция особенно полезна для таких платформ, как Raspberry Pi. Вы сначала отладите код на «большой» ОС, а потом перенесёте на Raspbian. При этом разработка приложений на Java внутри «малиновой» системы затруднительна - здесь нет полноценной среды для этого языка.

С

Так как Raspbian – ОС на базе Unix, в качестве базового языка здесь выступает С. С его помощью вы получите максимальную производительность без использования машинных команд. Это особенно важно для серверных систем в составе IoT. Надмножество языка, Objective-C, используется для написания приложений для iPhone и iPad, что также может пригодиться вам с «малиной».

C++

С++ пригодится там, где нужны и скорость, и безопасность, и чёткость работы. Спектр задач при этом невероятно широк – от работы непосредственно с железом до организации взаимодействия устройств и клиентов. С++ переменит на «малиновую» сторону опытных разработчиков из прошлого века и тех, кто до этого писал код лишь для микроконтроллеров.

Perl

Perl постепенно сдаёт позиции в мире больших машин, но в Raspberry Pi это пока один из основных инструментов. Он поставляется «из коробки», имеет множество расширений и дополнений, с его помощью можно организовать сбор информации или переписать Си-программу. Это ударит по быстродействию, зато работать с таким кодом на порядок проще.

Erlang

Erlang - язык программирования для создания сложных систем. Допустим вы разрабатываете на своем одноплатном друге атомную электростанцию или нейронно-вычислительную сеть. C++ или другой прикладной язык не подойдёт. А вот Erlang позволит вам минимизировать ошибки и извлечь максимум возможностей из Raspberry Pi. Конечно, если вы дорастете до этого уровня.

Как вы поняли, язык разработки для Rasberry Pi имеет третьестепенное значение. Выбор зависит от вкусовых предпочтений, от типа решаемой задачи и вашего опыта. А значит, Rasberry Pi станет вашим верным спутником в программировании, какой бы путь вы ни выбрали.

Raspberry Pi - одноплатный компьютер размером 55х85мм.

Изначально проект создавался как образовательный. Raspberry Pi отлично подходит для изучения основ программирования и электроники из-за небольшой стоимости (порядка 35$) и наличия практически всех необходимых признаков настоящего компьютера. На основе Raspberry Pi создано множество компьютерных классов. Однако сегодня его назначение вышло далеко за пределы образовательного. Устройство широко используется для создания различных электронных устройств от радиоприемников и медиаплееров до роботов и «умных домов».

Самая мощная на сегодня модель Raspberry Pi 3 Model B имеет разъём HDMI для подключения монитора, 4 USB-порта для подключения USB устройств, Ethernet-порт для подключения к сети, встроенный Wi-Fi и Bluetooth, 4 ядерный 64-битный процессор ARM 1.2Ghz, 1GB оперативной памяти. В отличие от обычных компьютеров на маленькой плате Raspberry есть 40 контактов (пинов) GPIO, который могут использоваться как на вход, так и на выход с применением различных протоколов взаимодействия с внешними устройствами, что и позволяет подсоединять к плате различные датчики и исполнительные приборы.

1. Внешний вид, основные элементы, корпус.

Итак, в наших руках Raspberry Pi 3 Model B.

Верхняя сторона выглядит так:

Нижняя сторона:

На нижней стороне установлены слот для SD-карты и оперативная память. SD-карта служит постоянным запоминающим устройством и содержит файлы операционной системы, программ и файлы пользователя.

Для удобства обращения с платой предлагается множество различных корпусов, аот детали одного из них, они соединяются между собой без винтов:

Но сначала на процессор и графический чип стоит установить радиаторы, поскольку эти микросхемы прилично греются при активной работе платы:

Вот теперь можно собрать корпус и пометить туда плату микрокомпьютера:

Корпус имеет открывающуюся крышку для удобного подключения камеры, дисплея и контактов GPIO.

1. Подготовка к включению и первый запуск.

Для первого запуска Raspberry необходимо следующее:

микро SD-карта с установленной операционной системой (OC) Raspbian, рекомендуемой для этого устройства (оптимальная емкость карты – 8Гб, класс скорости - 10);
монитор с HDMI входом;
сетевой блок питания с выходным напряжением 5В и током не менее 2А, с выходным разъемом micro-USB;
USB-мышь и USB-клавитура.

Образ операционной системы Raspbian, созданной на основе Linux Debian 8 Jessi, можно скачать в разделе Downloads сайта raspberrypi.org . Для начала можно воспользоваться образом RASPBIAN JESSIE LITE, как наиболее простым в изучении. Записать образ на SD-карту удобно из-под Windows с помощью программы Win32DiskImager. Способ установки и сама программа описаны на сайте Raspberry по адресу .

Вы также можете воспользоваться файлами, размещенными на нашем сайте в карточке или напрямую скачать с Яндекс диска :

образ операционной системы;
программа Win32DiskImager.

Дальнейшее описание базируется именно на этом образе.

Мышь и клавиатура, подключенные к Raspberry без проблем распознаются системой. Можно также использовать беспроводную мышь и клавиатуру, например Bluetooth, но их надо настроить после запуска Raspberry, а для этого нужна хотя бы USB-мышь. У нас в хозяйстве не нашлось USB-клавиатуры, поэтому для первого запуска мы подключили USB-мышь, а также монитор и питание:

Кстати, на плате нет выключателя питания, она запускается сразу при подключении разъема, и начинается загрузка операционной системы. После загрузки на экране появляется рабочий стол с вполне привычными (но оригинальными) обоями и иконками:

На начальном экране имеются легко распознаваемые иконки Меню, интернет-браузера, менеджера Bluetooth, регулятора громкости, настройки сети и некоторые другие. Из них, пожалуй, самая нужная при настройке и работе – это черный экранчик в правой верхнем углу: терминал. С помощью терминала вводятся команды операционной системы. Поскольку далеко не все программы для Linux имеют графический интерфейс, их можно запустить и работать в них только посредством командной строки. Именно эту возможность и предоставляет терминал. Также все системные операции Linux, например установка и удаление программ осуществляются преимущественно через терминал. В OC используется программа LXTerminal, которая и запускается при щелчке правой кнопкой мыши по иконке. Следует заметить, что многие команды требуют ввода в начале строки приставку sudo (gksudo при запуске программ с графическим интерфейсом), что позволяет выполнить команду от лица администратора компьютера, то есть с наивысшими правами (sudo - Super User Do). Только администратор может устанавливать и удалять программы, а также менять параметры OC и ее конфигурацию.

После первой загрузки системы имеет смысл сразу подключиться к интернету, чтобы обновить файлы ОС до актуальной версии. В правом верхнем углу рабочего стола есть иконка с узнаваемым изображением двух терминалов. При подключении кабеля к разъему Ethernet на плате Raspberry происходит автоматическое подключение к локальной сети. Если щелкнуть мышью по этой иконке, появляется список беспроводных сетей, из которых можно выбрать свою и подключиться к ней, введя соответствующий ключ. При этом вместо терминалов на иконке появится стандартное изображение подключение к беспроводной сети. Именно такая ситуация показана на рисунке выше.

Надо сказать, что по сравнению с ранними версиями Linux многие задачи сейчас автоматизированы. Например, если ранее было необходимо из командной строки монтировать том при подключении обычной флешки, то сейчас флешка распознается при подключении в один из четырех разъемов USB на плате вполне самостоятельно и ей сразу можно пользоваться.

Теперь можно подключить, например, беспроводные мышь и клавиатуру по Bluetooth:

Это делается щелчком на иконке с логотипом Голубого Зуба рядом с индикатором подключение к сети в правом верхнем углу экрана. Далее надо нажать Add Device и выбрать ваши устройства из списка найденных беспроводных устройств.

Следует отметить, что при всем удобстве использовании Bluetooth устройств ввода с Raspberry – они не занимают разъемов USB – эти устройства в нашем случае периодически теряли связь с платой. Поэтому для стабильной работы, все же следует использовать USB-мышь и клавиатуру, а так же, в качестве альтернативного варианта, занимающего только один USB-разъем, комплект мыши и клавиатуры с одним приемопередатчиком по радиоканалу.

После соединения с сетью мы попробовали, используя уже и мышь и клавиатуру, зайти в интернет, щелкнув на иконке браузера. Сайты открывались без проблем, с приемлемой скоростью.

1. Знакомство с GPIO, программированием на Python и запуск светофора

Контакты GPIO, безусловно, являются очень интересной частью Raspberry, значительно расширяющей возможности микрокомпьютера для применения в электронных автоматизированных системах. С помощью этих контактов можно как считывать данные с огромного множества предлагаемых сегодня датчиков: температуры, давления, движения, наклона, ориентации, открытия и т.п., так и посылать команды на исполнительные устройства: реле, двигатели, актуаторы, серво-машины и многие другие.

Вот схема 40-контактного разъема GPIO:

Как видно, кроме обычных цифровых пинов вход/выход, принимающих или выдающих значения логических 0 и 1, имеются контакты, работающие по распространенным интерфейсам I2C, SPI и UART. Также есть возможность генерации ШИМ и прерываний от изменения уровней на входах.

Используем GPIO для моделирования работы светофора по нажатию кнопки, как это делается на редко используемых пешеходных переходах, где обычно горит зеленый свет для транспорта, а пешеход может кнопкой запустить программу включения красного света для транспорта. Алгоритм этой программы такой: при нажатии кнопки начинает мигать зеленый свет, затем на короткое время зажигается желтый, затем красный; красный свет горит некоторое время, затем короткое время горят красный и желтый, и, наконец, снова зеленый; далее система ждет очередного нажатия кнопки.

Для программирования этого алгоритма воспользуемся встроенной в образ ОС Raspbian интегрированной среды разработки (IDE) на языке Python (Пайтон). Язык Python имеет имеет большое число достоинств, о которых можно почитать в сети, что делает его весьма хорошим инструментом как для начинающих программистов, так и для профессионалов. Это интепретирущий язык, его команды выполняются последовательно, одна за другой. В IDE Python команды можно выполнять, просто вводя их с клавиатуры и нажимая клавишу Enter в конце строки.

Среда разработки программ на языке Python запускается с рабочего стола последовательным выбором Menu – Programming - Python 3. Далее, в открывшемся окне Python Shell следует нажать File – New File. В открывшемся окне редактора нужно набрать или скопировать следущий текст программы, обращая особое внимания на отступы в тексте, так как для программ на Python они имеют принципиальное значение:

#!/usr/bin/python

import RPi.GPIO as GPIO

from time import sleep

print ("RPi.GPIO init start")

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

print ("RPi.GPIO init end")

print ("GPIO setup")

GPIO.setup(RED_PIN, GPIO.OUT)

GPIO.setup(YELLOW_PIN, GPIO.OUT)

GPIO.setup(GREEN_PIN, GPIO.OUT)

GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.output(RED_PIN, 0)

GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)

GPIO.output(GREEN_PIN, 1)

inp = GPIO.input(BUTTON_PIN)

for x in range(0, 5):

GPIO.output(GREEN_PIN, 1)

GPIO.output(GREEN_PIN, 0)

GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)

GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)

GPIO.output(RED_PIN, 1)

GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)

GPIO.output(RED_PIN, 0)

GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)

GPIO.output(GREEN_PIN, 1)

Первая строка указывает, где в ОС находится интерпретатор Python.

Функция, начинающаяся с print, просто выводит свой аргумент на экран.

Строки, начинающиеся с GPIO.setup, задают режим выхода (OUT) или входа (IN) соответствующих пинов, а аргумент pull_up_down=GPIO.PUD_UP включает подтягивающий резистор на входе 40, к которому подключена кнопка. Поскольку программа на Python не имеет стандартного «вечного цикла», как, например в Ардуино, где загруженная в микроконтроллер программа выполняется бесконечно, пока подано питание, оператор while True: осуществляет этот цикл. Нам ведь надо возвращать наш светофор в исходное состояние всякий раз по завершению цикла его работы.

Оператор присвоения inp = GPIO.input(BUTTON_PIN) записывает в переменную inp значение на входе 40. Если кнопка не нажата – это 0, если нажата – 1. Если inp равно 0, то начинается цикл работы светофора:

С помощью цикла for 5 раз мигает зеленый светодиод;

На 2 секунды зажигается желтый (пауза задается оператором sleep);

Желтый гаснет, зажигается красный на 5 секунд и т д.

После окончания цикла работы светофора все начинается снова.

Теперь необходимо собрать электрическую схему с помощью проводов с разъемами без пайки:

Короткие ножки светодиодов (это минус) подключаем к земле – контакты 6, 14, 20; длинные (плюс) через резисторы 240 Ом - к контактам 29 (зеленый), 32 (желтый), 36 (красный).

Кнопку подключаем к контактам 39 и 40.

Теперь в редакторе с нашей программой выбираем Run – Run Modul или нажимаем F5, и программа начинает выполняться, ожидая нажатия кнопки.

Но вовсе неудобно каждый раз запускать программу с помощью оболочки. Удобнее, чтобы наша программа запускалась при включении питания Raspberry, ведь тогда устройство можно использовать автономно, без монитора, клавиатуры и мыши.

Для этого необходимо включить нашу программу в автозагрузку операционной системы.

Тут нам понадобится терминал, без него обойтись.

Сначала сохраним нашу программу в виде файла svetofor-rpi.py3 в корневом каталоге пользователя /home/pi.

Теперь запустим терминал и после приглашения pi@raspberrypi:~ $ наберем следующую строку: gksudo leafpad /etc/xdg/autostart/Svetofor.desktop

Тем самым мы вызовем текстовый редактор leafpad и создадим файл Svetofor.desktop в папке автозапуска.

В текстовом редакторе набираем следующее:

Exec=sudo python /home/pi/svetofor-rpi.py3

Type=Application

и сохраняем файл.

Основное в этом файле – строка, начинающаяся с Exec, которая запускает интерпретатор Python на выполнение программы svetofor-rpi.py3.

Можно проверить, зайдя в папку /etc/xdg/autostart с помощью файлового менеджера, чья иконка в виде двух ящичков расположена в левом углу экрана, появился ли в этой папке файл Svetofor.

Теперь, если выключить питание, отключить монитор, мышь и клавиатуру, и снова включить питание, наш светофор начнет работать в автономном режиме!

Видео работы светофора:

Как-то я писал о том, что планирую использовать Raspberry Pi в качестве веб-сервера, управляющего моим устройством. Пришло время задуматься над интерфейсом подключения. У разработчика, желающего подключить свое железо к Raspberry есть два пути: использовать для этого USB или выводы общего назначения (GPIO ). С возможностями USB все приблизительно понятно (в будущем постараюсь написать пост о работе с внешним железом через USB ). О GPIO же информации не так много, да и опыта его использования нет. В общем я заинтересовался GPIO и его возможностями. В статье речь пойдет о выводах общего назначения Raspberry Pi - GPIO :

возможности GPIO
распиновка GPIO
как работать с GPIO на Python
характеристики GPIO (прежде всего показатели скорости)
пример использования GPIO Raspberry

Порт GPIO - выводы общего назначения Raspberry Pi

Предварительно я , чтобы каждый раз не подключать монитор и клавиатуру. Поэтому в исходном состоянии у меня к Raspberry подключено всего два "провода": питание и сетевой кабель для соединения с роутером. Хотя принципиального значения это не имеет: все нижеописанное будет справедливо, как в случае работы с консолью Raspberry через SSH , так и при использовании подключенной клавиатуры.

Порт GPIO (сокращение от General Purpose Input Output ) - это программно управляемые выводы общего назначения, которые могут работать как входы (для считывания сигнала) или как выходы (для передачи сигнала). На Raspberry Pi они выполнены в виде двух рядов штырьков с шагом в 2,54 мм (разъем PLD ). Выражение "общего назначения" означает, что эти выводы пользователь может использовать в своих целях так, как ему захочется, поскольку они не выполняют каких-то определенных жестко заданных функций. При работе с GPIO следует только иметь ввиду, что это цифровые выводы с максимальным уровнем напряжения 3,3 В, соответствующим логической единице. Поэтому программно выводить на GPIO аналоговый сигнал или подавать на него аналоговый сигнал извне для последующий оцифровки нельзя.

Итак, что представляет собой порт GPIO и каковы его возможности? GPIO объединяет в себе 26 выводов, среди которых присутствуют следующие:

2 вывода с постоянным уровнем напряжения 5 В
2 вывода с постоянным уровнем напряжения 3,3 В
5 общих выводов (земля)
17 цифровых программно управляемых выводов

Каждый из этих 17 выводов может работать как вход, либо как выход. Однако помимо этого, некоторые из этих выводов могут выполнять альтернативные необязательные функции. Что это значит? Каждый из таких выводов в зависимости от программной настройки могут работать либо как обычный вывод, либо как вывод одного из последовательных интерфейсов. С помощью таких выводов GPIO альтернативно могут реализовываться последовательные интерфейсы I2C , SPI и другие последовательные интерфейсы посредством UART .

Примечание: Это знакомые понятия для тех, кто сталкивался с программированием микроконтроллеров. Для тех, кто не сталкивался и на данном этапе пока желает просто программно выводить "1" и "0" на нужном выводе - знания этих интерфейсов не понадобится. Поэтому не буду здесь уделять этому внимание. Скажу только, что среди микроконтроллеров и других устройств (различные датчики, АЦП, ЦАП, микросхемы памяти) это очень распространенные интерфейсы, поэтому наличие выводов этих интерфейсов в GPIO Raspberry при необходимости позволяет очень легко и с минимумом программного кода "научить" Raspberry "общаться" с вашим устройством.

Как понять где какой вывод находится? Для этого необходима распиновка (цоколевка) GPIO . В официальной документации приведена распиновка разных версий GPIO Raspberry Pi . Здесь я приведу самую последнюю на данный момент распиновку GPIO - для Raspberry Pi Model B Rev.2 :

На схеме в скобках указана альтернативная функция каждого вывода:

SDA , SCL - выводы интерфейса I2C
TXD , RXD - выводы UART
MOSI , MISO , SCLK , CE0 , CE1 - выводы интерфейса SPI
GPCLK0 - (General Purpose Clock ) вывод для формирования варьируемой тактовой частоты для внешних устройств
PCM_CLK , PCM_DOUT - выводы аудио-интерфейса I2S

Что ВАЖНО знать перед работой с GPIO Raspberry Pi

Пожалуй, это самый важный раздел. Нужно помнить о некоторых особенностях GPIO и соблюдать определенные меры предосторожности, чтобы не залететь еще на 35-50$ не повредить Raspberry . Ниже приведены такие "критические особенности", а также несколько нюансов, которые просто могут быть полезны, и которые желательно помнить при разработке.

Максимальный суммарный ток обоих выводов 3.3 В равен 50 мА! Поэтому эти выводы могут использоваться для питания внешних устройств, только если их потребляемый ток меньше 50 мА.
Максимальный суммарный ток обоих выводов 5 В равен 300 мА! Эти выводы также могут использоваться для питания внешних устройств только в том случае, если их потребляемый ток меньше 300 мА.
Нельзя на GPIO подавать напряжение больше 3,3 В! Цифровые выводы GPIO имеют уровни напряжения 0 - 3,3 В и не совместимы с традиционными уровнями напряжения 0 - 5В ! Поэтому нельзя напрямую соединять Raspberry Pi и цифровые устройства, работающие с TTL -уровнями 5 В. Если подать на GPIO вывод Raspberry логическую единицу, представляющую собой 5 В, а не 3,3 В - вывод может выйти из строя.
Выводы GPIO 14 и GPIO 15 по-умолчанию выполняют альтернативную функцию и являются выводами UART - RXD и TXD . Поэтому после включения на них присутствует высокий уровень 3,3 В. Программно их можно переконфигурировать в обычные выводы. Все остальные GPIO после включения Raspberry выполняют основную функцию и работают как обычные цифровые выводы.
Все настраиваемые пины GPIO по-умолчанию являются входами. И поэтому имеют высокое входное сопротивление. При этом подтяжка логического уровня у них не включена, выводы "висят в воздухе", поэтому после включения Raspberry напряжение на них может "плавать". Это нормально. Исключением является только 2 следующих вывода:
Выводы GPIO 0 (SDA) и GPIO 1 (SCL) по-умолчанию "подтянуты" к питанию. Поэтому после включения Raspberry на них присутствует напряжение логической единицы (3,3 В).
Сигнал на любом из цифровых выводов может служить источником внешнего прерывания. Кто раньше сталкивался с микроконтроллерами поймет, насколько это может быть полезно. Как использовать прерывания в Raspberry Pi - пока это идея для следующего поста.

Пожалуй, все.. Ну и в целом нужно помнить, что GPIO - это выводы, непосредственно подключенные к процессору Raspberry Pi, они являются инструментом для взаимодействия с ним. Поэтому неосторожное обращение с GPIO может привести к необратимым последствиям для процессора. На этом с "пугалками" заканчиваю. Главное и простое правило - не подавать больших напряжений и не потреблять большой ток. Переходим к делу.

Как работать с GPIO на Python

Примечание: Работать с GPIO , по сути, можно двумя способами:

1) Используя bash и файловую систему Rasbian
Raspbian является одним из дистрибутивов Linux , а концепция Linux предполагает, что любой объект является файлом. Именно это позволяет выводить и считывать сигналы с GPIO обычными командами оболочки bash прямо в терминале! Вывод логической единицы при этом выглядит как команда записи "1" в файл, соответствующий нужному выводу. Подробные примеры даны .

2) Используя языки программирования (самые разные от C до Бэйсика)

Это более гибкий и более производительный вариант, поскольку он не требует обращения к файловой системе. При этом взаимодействовать с GPIO Raspberry можно на самых разных языках, внушительный список которых приведен вместе с примерами. Ниже разберем пример работы с GPIO на Python .

Предположим нам нужно вывести логическую "1" или "0" на GPIO 7 и считать сигнал с GPIO 8 .

0) Для работы с GPIO на Python нужна специальная библиотека RPi.GPIO . Сейчас ее можно установить прямо с репозиториев, а не качать архив и устанавливать вручную, как было раньше. Воспользуемся этой возможностью:

Sudo apt-get install python-rpi.gpio (или python3-rpi.gpio для 3-й версии Питона)

Оказывается, в новом дистрибутиве Raspbian она уже установлена, поэтому двигаемся дальше.

0.5) GPIO является системным элементом Raspbian , поэтому работать с ним нужно только под суперпользователем . Будем писать программу прямо в консоли, поэтому запускаем python :

Sudo python

1) Импортируем библиотеку для работы с GPIO :

Import RPi.GPIO as GPIO

2) Устанавливаем способ нумерации выводов GPIO .
Зачем? Дело в том, что во многих функциях этой библиотеки необходимо указывать номер вывода, над которым мы хотим произвести какую-либо манипуляцию. Однако указываемый номер можно интерпретировать по-разному: либо это номер GPIO , либо это номер пина (P1-26) на плате Raspberry (см. распиновку). Чтобы не возникало путаницы, сразу после импорта желательно "указать библиотеке", какую нумерацию мы будем использовать в программе.
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #GPIO.BCM - будет использоваться нумерация GPIO

# GPIO.BOARD - будет использоваться нумерация пинов P1-26

3) Конфигурируем выводы
Поскольку мы будем выводить сигналы на GPIO 7 , конфигурируем его как выход, а GPIO 8 - как вход:
GPIO.setup(7, GPIO.OUT)
GPIO.setup(8, GPIO.IN)

Примечание: именно после выполнения этой команды на GPIO 7 установится ровно 0 В, поскольку этот вывод больше не является входом и на нем нет "плавающего" потенциала.

С помощью необязательного параметра pull_up_down функции setup можно также настроить "подтяжку " вывода к питанию или к земле:
GPIO.setup(8, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) #подтяжка к питанию 3,3 В
GPIO.setup(8, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) #подтяжка к земле 0 В
GPIO.setup(8, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_OFF) #режим по-умолчанию

4) Формируем и считываем сигналы
Формируем "1" и "0" на GPIO 7 и считываем сигнал с GPIO 8 :

GPIO.output(7, True)

GPIO.output(7, False)
signal = GPIO.input(8)

5) Завершаем работу
После всех нужных операций корректно завершаем работу:
GPIO.cleanup()

Выполнение этой операции приведет к возвращению всех выводов GPIO в первозданное состояние.

Примечание: если не выполнить эту операцию, то даже после закрытия программы и выхода из python , выводы GPIO останутся в том, состоянии, в котором они были на момент завершения. Это может быть чревато тем, что при попытке повторно поработать с этими выводами будет возникать сообщение, о том, что вывод уже используется: "RuntimeWarning: This channel is already in use, continuing anyway ."

Весь пример целиком:
import RPi.GPIO as GPIO #подключаем библиотеку
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #устанавливаем режим нумерации
GPIO.setup(7, GPIO.OUT) #конфигурируем GPIO 7 как выход
GPIO.setup(8, GPIO.IN) #конфигурируем GPIO 8 как вход
GPIO.output(7, True) #выводим на GPIO 7 логическую "1" (3.3 V)

GPIO.output(7, False) #выводим на GPIO 7 логический "0"
signal = GPIO.input(8) #считываем сигнал с GPIO 8 в переменную signal
GPIO.cleanup() #завершаем работу с GPIO

Характеристики GPIO

На мой взгляд, из всех характеристик наиболее интересны временные параметры GPIO , а именно - насколько быстро может меняться состояние цифрового вывода из "1" в "0" и обратно, если управлять портом программно. Для проверки этого использовался следующий код:

import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(7, GPIO.OUT)
while (1):
GPIO.output(7, True)
GPIO.output(7, False)

Примечание: частота импульсов, изображенных на верхних картинках, может незначительно колебаться. Это связано с тем, что Linux на Raspberry многозадачна и не всегда уделяет нашей программе все процессорное время. Также следует иметь ввиду, что добавление дополнительных команд внутрь цикла while может существенно увеличить время каждого импульса.

По нижним картинкам можно оценить время переключения пина GPIO из одного состояния в другое (другими словами длительность переходного процесса) - оно составляет приблизительно 50 нс. Надо сказать, довольно неплохие результаты, однако и конкурировать по скорости с ПЛИС GPIO Raspberry Pi не может.

Примечание: о том, каких длительностей можно добиться с использованием C описано в .

Следует иметь ввиду, что те пины GPIO , которые работают в режиме последовательных интерфейсов, позволяют добиться больших скоростей , поскольку при работе последовательных интерфейсов на высоких скоростях процессор аппаратно формирует тактовые частоты и сигналы согласно правилам того или иного последовательного интерфейса. Так, например, с помощью вывода GPCLK0 можно получать импульсы частотой порядка 100 МГц и выше.

Пример использования GPIO Raspberry

Как можно применить все это на практике? Зачем выводить "1" или "0" на GPIO ? Например, можно помигать светодиодами! Например, можно управлять силовой нагрузкой и включать / выключать любые бытовые приборы, работающие от сети 220 В. Для этого понадобится Raspberry Pi и всего 7 деталей. Схема такого программного "выключателя" приведена ниже:

Примечание: микросхема-оптодрайвер MOC3041M имеет гальваническую развязку силовых цепей от слаботочных, поэтому она является "барьером безопасности" между Raspberry и сетью 220 В, выход ее из строя не повредит Raspberry . Конденсатор C8 должен быть высоковольтным и выдерживать напряжение ~400 В.

Данная схема может коммутировать токи до 16А. Она полностью отлажена, проверена на практике и занимает очень мало места (к сожалению, у меня не сохранились фото устройства, где она используется). Подача "1" на GPIO 7 Raspberry Pi приведет к срабатыванию оптодрайвера и открытию симистора V2, который начнет пропускать через себя ток, идущий от сети 220 В к силовой нагрузке. Прибор включается. Как только на GPIO 7 возникает "0" - симистор V2 закрывается и цепь нагрузки размыкается. Прибор выключается. Все просто!

Применение же именно Raspberry Pi позволяет управлять нагрузкой программно, по расписанию, при наступлении каких-либо внешних событий или подаче сигналов (к примеру, сигнал с пульта для открытия ворот) и даже через Интернет (например, посредством собственного веб-сайта, работающего на том же Raspberry) . Одним словом, Raspberry помогает развивать фантазию.

На этом все. В следующем посте о Raspberry постараюсь описать работу с UART и SPI .

Самым популярным языком, используемым для программирования Raspberry Pi, является Python. Python считается интерпретируемым языком. Это означает, что вы можете написать программу или скрипт и выполнить его непосредственно, а не компилировать его в машинный код. Это обеспечивает некоторое удобство программирования и запуска кода для новичков, которые пока не слишком хотят лезть в такие сложности как компилирование, отладка и прочие моменты, так приятные опытным программистам.

В этом материале будет показано, как начать программировать на языке Python, что поможет новичку быстрее освоиться в работе с Raspberry Pi.

Помимо быстрого исполнения кода Python обладает другими преимуществами, не свойственными большинству интерпретируемых языков. Например, в Python вам не нужно явно указывать тип переменной (число, строка, список). Интерпретатор определяет типы данных при выполнении скрипта. Интерпретатор Python может работать двумя способами: как интерактивная оболочка для выполнения отдельных команд или в качестве программы с командной строкой для выполнения автономных скриптов. Интегрированная среда разработки (IDE) Python для Raspberry Pi называется IDLE и с ней мы будем работать.

Для запуска этой среды кликните дважды на иконке IDLE 3 на рабочем столе, либо в нижнем левом углу нажмите на меню и выберете Programming→IDLE 3. Через несколько секунд появится оболочка Python Shell. Чтобы начать написание новой программы на Python, выберете File→New Window, после чего откроется новое окно редактора код.

Теперь можно написать свою первую простую программу, введя текст, изображенный ниже.

Если вы знакомы с программированием на Arduino, то сможете заметить, что концепция написания программ в чем-то схожа. Здесь также есть раздел настроек (setup) и бесконечный цикл (loop), который в данном случае организуется через while True. Оператор % дает остаток от деления. При написании программы следите за отступами, поскольку Python является высокоструктурированным языком, и отступы здесь четко определяют структуру.

Чтобы запустить программу, выберете Run Module и придумайте название для вашего скрипта. Чтобы выйти из программы, закольцованной в бесконечный цикл, нажмите Ctrl-C. Также вы можете организовать не бесконечный цикл, а, скажем, цикл со счетом до 100. Для этого используйте код, приведенный ниже.

Для более функционального программирования на Python вам стоит научиться пользоваться функциями. Функции в Python определяются через оператор def. В примере, приведенном ниже, мы организуем функцию настройки setup() и функцию бесконечного цикла loop(), а затем вызовем их в основном теле нашей программы.

Как вы теперь видите, программировать на Python очень просто. Изучите этот язык программирования лучше и сможете создавать потрясающие программы на Raspberry Pi.

Raspberry Pi - одноплатный компьютер размером 55 × 85 мм.

Изначально проект создавался как образовательный. Raspberry Pi отлично подходит для изучения основ программирования и электроники из-за небольшой стоимости (порядка $35) и наличия практически всех необходимых признаков настоящего компьютера. На основе Raspberry Pi создано множество компьютерных классов. Однако сегодня его назначение вышло далеко за пределы образовательного. Устройство широко используется для создания различных электронных устройств от радиоприемников и медиаплееров до роботов и «умных домов».

Самая мощная на сегодня модель Raspberry Pi 3 Model B имеет разъём HDMI для подключения монитора, 4 USB-порта для подключения USB устройств, Ethernet-порт для подключения к сети, встроенный Wi-Fi и Bluetooth, 4 ядерный 64-битный процессор ARM 1.2 ГГц, 1 ГБ оперативной памяти. В отличие от обычных компьютеров на маленькой плате Raspberry есть 40 контактов (пинов) GPIO, который могут использоваться как на вход, так и на выход с применением различных протоколов взаимодействия с внешними устройствами, что и позволяет подсоединять к плате различные датчики и исполнительные приборы.

1. Внешний вид, основные элементы, корпус.

Итак, в наших руках Raspberry Pi 3 Model B.

Верхняя сторона выглядит так:

Нижняя сторона:

Для удобства обращения с платой предлагается множество различных корпусов, а вот детали одного из них, они соединяются между собой без винтов:

Вот теперь можно собрать корпус и пометить туда плату микрокомпьютера:

Корпус имеет открывающуюся крышку для удобного подключения камеры, дисплея и контактов GPIO.

2. Подготовка к включению и первый запуск.

Для первого запуска Raspberry необходимо следующее:

микро SD-карта с установленной операционной системой (OC) Raspbian, рекомендуемой для этого устройства (оптимальная емкость карты - 8 Гб, класс скорости - 10);
монитор с HDMI входом;
сетевой блок питания с выходным напряжением 5 В и током не менее 2 А, с выходным разъемом micro-USB;
USB-мышь и USB-клавитура.

Образ операционной системы Raspbian, созданной на основе Linux Debian 8 Jessi, можно скачать в разделе Downloads сайта raspberrypi.org. Для начала можно воспользоваться образом RASPBIAN JESSIE LITE, как наиболее простым в изучении. Записать образ на SD-карту удобно из-под Windows с помощью программы Win32DiskImager. Способ установки и сама программа описаны на сайте Raspberry по адресу.

Вы также можете воспользоваться файлами, размещенными на нашем сайте в карточке Raspberry Pi 3 или напрямую скачать с Яндекс диска:

образ операционной системы;
программа Win32DiskImager.

Дальнейшее описание базируется именно на этом образе.

На начальном экране имеются легко распознаваемые иконки Меню, интернет-браузера, менеджера Bluetooth, регулятора громкости, настройки сети и некоторые другие. Из них, пожалуй, самая нужная при настройке и работе - это черный экранчик в правой верхнем углу: терминал. С помощью терминала вводятся команды операционной системы. Поскольку далеко не все программы для Linux имеют графический интерфейс, их можно запустить и работать в них только посредством командной строки. Именно эту возможность и предоставляет терминал. Также все системные операции Linux, например установка и удаление программ осуществляются преимущественно через терминал. В OC используется программа LXTerminal, которая и запускается при щелчке правой кнопкой мыши по иконке. Следует заметить, что многие команды требуют ввода в начале строки приставку sudo (gksudo при запуске программ с графическим интерфейсом), что позволяет выполнить команду от лица администратора компьютера, то есть с наивысшими правами (sudo - Super User Do). Только администратор может устанавливать и удалять программы, а также менять параметры OC и ее конфигурацию.

Теперь можно подключить, например, беспроводные мышь и клавиатуру по Bluetooth:

Следует отметить, что при всем удобстве использовании Bluetooth устройств ввода с Raspberry - они не занимают разъемов USB - эти устройства в нашем случае периодически теряли связь с платой. Поэтому для стабильной работы, все же следует использовать USB-мышь и клавиатуру, а так же, в качестве альтернативного варианта, занимающего только один USB-разъем, комплект мыши и клавиатуры с одним приемопередатчиком по радиоканалу.

3. Знакомство с GPIO, программированием на Python и запуск светофора

Вот схема 40-контактного разъема GPIO:

Как видно, кроме обычных цифровых пинов вход/выход, принимающих или выдающих значения логических 0 и 1, имеются контакты, работающие по распространенным интерфейсам I 2 C, SPI и UART. Также есть возможность генерации ШИМ и прерываний от изменения уровней на входах.

Для программирования этого алгоритма воспользуемся встроенной в образ ОС Raspbian интегрированной среды разработки (IDE) на языке Python (Пайтон). Язык Python имеет большое число достоинств, о которых можно почитать в сети, что делает его весьма хорошим инструментом как для начинающих программистов, так и для профессионалов. Это интепретирущий язык, его команды выполняются последовательно, одна за другой. В IDE Python команды можно выполнять, просто вводя их с клавиатуры и нажимая клавишу Enter в конце строки.

Среда разработки программ на языке Python запускается с рабочего стола последовательным выбором Menu - Programming - Python 3 . Далее, в открывшемся окне Python Shell следует нажать File - New File . В открывшемся окне редактора нужно набрать или скопировать следущий текст программы, обращая особое внимания на отступы в тексте, так как для программ на Python они имеют принципиальное значение:

#!/usr/bin/python

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

RED_PIN = 36

YELLOW_PIN = 32
GREEN_PIN = 29
BUTTON_PIN = 40

print ("RPi.GPIO init start")
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
print ("RPi.GPIO init end")

print ("GPIO setup")

GPIO.setup(RED_PIN, GPIO.OUT)

GPIO.setup(YELLOW_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GREEN_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.output(RED_PIN, 0)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)

while True:

if inp==0:
for x in range(0, 5):
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)
sleep(0.5)
GPIO.output(GREEN_PIN, 0)
sleep(0.5)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)
sleep(2)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(RED_PIN, 1)
sleep(5)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)
sleep(1)
GPIO.output(RED_PIN, 0)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)

Первая строка указывает, где в ОС находится интерпретатор Python.

Функция, начинающаяся с print , просто выводит свой аргумент на экран.

Строки, начинающиеся с GPIO.setup , задают режим выхода (OUT ) или входа (IN ) соответствующих пинов, а аргумент pull_up_down=GPIO.PUD_UP включает подтягивающий резистор на входе 40, к которому подключена кнопка. Поскольку программа на Python не имеет стандартного «вечного цикла», как, например в Ардуино, где загруженная в микроконтроллер программа выполняется бесконечно, пока подано питание, оператор while True: осуществляет этот цикл. Нам ведь надо возвращать наш светофор в исходное состояние всякий раз по завершению цикла его работы.

Оператор присвоения inp = GPIO.input(BUTTON_PIN) записывает в переменную inp значение на входе 40. Если кнопка не нажата - это 0, если нажата - 1. Если inp равно 0, то начинается цикл работы светофора:

с помощью цикла for 5 раз мигает зеленый светодиод;
на 2 секунды зажигается желтый (пауза задается оператором sleep);
желтый гаснет, зажигается красный на 5 секунд и т д.

После окончания цикла работы светофора все начинается снова.

Теперь необходимо собрать электрическую схему с помощью проводов с разъемами без пайки:

Короткие ножки светодиодов (это минус) подключаем к земле - контакты 6, 14, 20; длинные (плюс) через резисторы 240 Ом - к контактам 29 (зеленый), 32 (желтый), 36 (красный).

Кнопку подключаем к контактам 39 и 40.

Теперь в редакторе с нашей программой выбираем Run - Run Modul или нажимаем F5, и программа начинает выполняться, ожидая нажатия кнопки.

Для этого необходимо включить нашу программу в автозагрузку операционной системы.

Тут нам понадобится терминал, без него обойтись.

Сначала сохраним нашу программу в виде файла svetofor-rpi.py3 в корневом каталоге пользователя /home/pi .

Теперь запустим терминал и после приглашения pi@raspberrypi:~ $ наберем следующую строку: gksudo leafpad /etc/xdg/autostart/Svetofor.desktop .

Тем самым мы вызовем текстовый редактор leafpad и создадим файл Svetofor.desktop в папке автозапуска.

В текстовом редакторе набираем следующее:

Version=1.0
Encoding=UTF-8
Name=Svetofor
Comment=
Exec=sudo python /home/pi/svetofor-rpi.py3
Terminal=false
Type=Application

и сохраняем файл.

Основное в этом файле - строка, начинающаяся с Exec , которая запускает интерпретатор Python на выполнение программы svetofor-rpi.py3 .

Можно проверить, зайдя в папку /etc/xdg/autostart с помощью файлового менеджера, чья иконка в виде двух ящичков расположена в левом углу экрана, появился ли в этой папке файл Svetofor.