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A - Programmazione di base

ES03 - Raspberry PI GPIO programming

FB - 12.2021 - v1.0

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Raspberry PI GPIO programming

Gestione e utilizzo dei pin GPIO disponibili sulla Raspberry PI in C, Bash e Python.

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Indice

Obiettivi didattici
Introduzione teorica

GPIO Electrical Specifications
Pinout
Permissions
GPIO sysfs in Bash
WiringPi
GPIO in Python
GPIO in altri linguaggi

Esercitazione

esercizio b

Valutazione

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Obiettivi didattici

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Obiettivi didattici

Saper controllare i pin GPIO presenti nella scheda Raspberry PI in C
Saper controllare i pin GPIO presenti nella scheda Raspberry PI in Bash

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Introduzione teorica

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GPIO

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Limiti elettrici del GPIO

Un pin GPIO non può pilotare carichi direttamente se non limitati a pochissimi milliampere (di solito 2-20 mA) a tensione di 3.3 volt.

Ad eccezione quindi, del pilotaggio di piccoli led, della lettura dello stato di pulsanti o microswitch o di interfacciamento verso altri circuiti integrati sullo stesso stampato, è sempre necessario avere una interfaccia di potenza per poter usare un pin GPIO.

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Che aspetto ha un GPIO

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Che aspetto ha un GPIO

DIP è l’acronimo di dual in-line package ed è il package usato ad esempio dalle CPU Atmel Atmega 328 utilizzate sulle schede Arduino.

I pin GPIO in questo caso sono distanti 2.54 mm pari a 100 MILS e sono molto più facili da manipolare.

Questo tipo di package è poco adatto ad una produzione industriale in quanto usa la tecnologia through-hole (THT) molto meno efficiente in termini di spazio occupato e tecnologia di montaggio oltre ad essere più costosa per via del maggior materiale utilizzato.

BGA è l’acronimo di ball grid array ed è il package delle CPU e delle RAM utilizzate in produzione da Acme Systems.

I “pin” GPIO in questo caso sono distanti 0.8 mm l’uno dall’altro.

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Che aspetto ha un GPIO

Thin Quad Flat Package

TQFP - 9x9 mm

pitch 0.80 mm

Very Quad Flat No-leads

VQFN - 4x4 mm

pitch 0.45 mm

Dual In-line Package

DPI - 35x8 mm

pitch 2.54 mm

Micro Lead Frame

MLF - 5x5 mm

pitch 0.50 mm

Fine Pitch Ball Grid Array

FPBGA - 4x4 mm

pitch 0.50 mm

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GPIO Electrical Specifications

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GPIO pins

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GPIO Electrical Specifications

I diodi interni mostrati nella figura sono FET parassiti, possono proteggere da eventi transitori di bassa corrente causati da tensioni transitorie fuori intervallo applicate ai pin, ma non sono destinati a proteggere dall'applicazione di tensioni maggiori della tensione di alimentazione o inferiori a ground, anche con un resistore in serie esterno.
Il gate di ingresso rileva se il livello della tensione di ingresso è basso o alto confrontandolo con una tensione di soglia. Normalmente la soglia di tensione è di circa 1.8V, ma non è garantita; può essere ovunque tra l'ingresso massimo basso e l'ingresso minimo alto, cioè tra circa 0,8 e 2,0 V.

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GPIO Electrical Specifications

L'uscita va a 3,3 V (alto) o 0 V (basso). Nello schema è mostrato un solo driver, ma in realtà ce ne sono diversi cablati in parallelo, con controllo software abilitato, in modo che l'impedenza del drive di uscita possa essere variata per offrire una sorgente da 2 mA a 16 mA e capacità di corrente di caduta, in incrementi di 2 mA.
Sebbene nella figura sia mostrato un valore di resistenza pull-up/down di 50 KΩ, Broadcom non ne specifica il valore. È probabile che sia compreso tra 40 e 100 KΩ. I transistor che abilitano il resistore pull-up/down contribuiscono ad esso con la loro apprezzabile resistenza non lineare, quindi la resistenza effettiva non è costante sulla tensione del pin di ingresso gamma. Il comportamento di pull-up è in qualche modo un incrocio tra resistenza costante e comportamento a corrente costante.
Raspberry Pi Documentation - General Purpose I/O (GPIO) �Raspberry Pi OS - GPIO and the 40-pin Header

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Pinout

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Pinout

Il pin 5V può essere utilizzato per alimentare l’intera scheda. Si ricorda che i pin non accettano tensioni maggiori di 3.3V

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Permissions

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Permissions

Per utilizzare le porte GPIO, l'utente deve essere membro del gruppo gpio. L'utente pi è un membro per impostazione predefinita, altri utenti devono essere aggiunti manualmente

sudo adduser utente gpio; sudo grep gpio /etc/group

Il comando gpio della libreria WiringPi è progettato per essere chiamato da un utente normale senza utilizzare il comando sudo o accedere come root.

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GPIO sysfs in Bash

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sysfs

Il filesystem sysfs è uno pseudo-filesystem che fornisce un'interfaccia ai vari sottosistemi del kernel, dispositivi hardware e driver di dispositivo tramite file virtuali. Oltre a fornire informazioni su vari dispositivi e sottosistemi del kernel, i file virtuali esportati vengono utilizzati anche per la loro configurazione.

Il filesystem sysfs è comunemente montato su /sys

Molti dei file nel filesystem sysfs sono di sola lettura, ma alcuni i file sono scrivibili, consentendo la modifica delle variabili del kernel. [man page]

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GPIO in Bash

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GPIO in Bash - Esempio

Esempio di accensione di un led collegato al pin 17

# Exports pin to userspace

echo "17" > /sys/class/gpio/export

# Set up GPIO 17 and set to output

echo "out" > /sys/class/gpio/gpio17/direction

# Write output

echo "1" > /sys/class/gpio/gpio17/value

sleep 5

echo "0" > /sys/class/gpio/gpio17/value

# Clean up

echo "17" > /sys/class/gpio/unexport

https://elinux.org/RPi_GPIO_Code_Samples#Shell

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GPIO in Bash - Esempio

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Lampeggio led

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Utilizzare wiringPi da Bash e l’utility gpio

wiringPi è disponibile come pacchetto standard in Raspbian:

pi@raspberrypi:~ $ sudo apt install wiringpi�pi@raspberrypi:~ $ gpio -v�pi@raspberrypi:~ $ gpio readall # visualizzare i pin a disposizione

pi@raspberrypi:~ $ gpio mode 3 out�pi@raspberrypi:~ $ gpio write 3 1

https://www.vincenzov.net/tutorial/RaspberryPi/wiringpi.htm�https://projects.drogon.net/raspberry-pi/wiringpi/the-gpio-utility/

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WiringPi

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WiringPi

WiringPi è una libreria per l’accesso ai PIN GPIO scritta in C per i dispositivi SoC BCM utilizzati in tutti i Raspberry Pi.

WiringPi include un'utilità da riga di comando gpio che può essere utilizzata per programmare e configurare i pin GPIO, sia per leggere che per scrivere i pin. Può essere utilizzata per controllare i pin tramite script di shell.

WiringPi Resources:

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WiringPi - Esempio LedBlink

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WiringPi

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WiringPi deprecated

WiringPi è stato incluso in Raspberry Pi OS (non Bullseye), sebbene la versione (2.50) attualmente inclusa non supporti Pi4. È disponibile un aggiornamento alla 2.52 per Raspberry Pi4, datato 24 giugno 2019, disponibile per il download. WiringPi è stato ritirato il 6 agosto 2019 e non è disponibile alcun supporto per funzionalità aggiuntive su Pi4. WiringPi non è disponibile in Raspberry Pi OS - Bullseye.^[^ref^]

Per installarlo manualmente

$ cd

$ git clone https://github.com/WiringPi/WiringPi

$ cd WiringPi

$ ./build

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Utilizzare wiringPi da Bash e l’utility gpio

pi@raspberrypi:~ $ gpio -v # documentazione ufficiale�pi@raspberrypi:~ $ gpio readall # visualizzare i pin a disposizione

pi@raspberrypi:~ $ gpio mode 3 out�pi@raspberrypi:~ $ gpio write 3 1

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GPIO in Python

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GPIO in Python con la libreria RPi.GPIO

La libreria RPi.GPIO è stata rilasciata all'inizio del 2012 dallo sviluppatore Ben Croston. È una solida libreria che consente agli utenti di controllare i pin GPIO tramite codice Python.

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GPIO in Python con la libreria GPIO Zero

La libreria GPIO Zero è una libreria Python per lavorare con i pin GPIO. È stata scritta dal community manager di Raspberry Pi Ben Nuttall. Mirato a essere intuitivo e "amichevole", semplifica il codice Python per la maggior parte degli utilizzi. Questa libreria è una delle più complete disponibili.

GPIO Zero è già installata nell'immagine desktop del sistema operativo Raspberry Pi.

La documentazione completa è disponibile su https://gpiozero.readthedocs.io/

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LedBlink con GPIO Zero

Per scrivere il programma Python con Windows possiamo usare Thonny, disponibile anche come software preinstallato nelle ultime versioni di Raspbian.

from gpiozero import LED

from time import sleep

led = LED(17)

while True:

led.on()

sleep(1)

led.off()

sleep(1)

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GPIO in altri linguaggi

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Altro

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Esercitazione

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Esercizio a�Led blink

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Led blink

Scrivere un programma che faccia lampeggiare il led collegato alla rasberry n volte ad intervalli di m secondi

n = 3 + iniziale cognome�m = iniziale nome/20*1000

In C usare la funzione int usleep(useconds_t usec);

In Bash usare il comando sleep

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Esercizio b�Luci smart auto

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Luci smart auto

Progettare un sistema (simile a quello dell’accensione luci interne auto) che rilasciato il pulsante accenda il led. Dopo 2 minuti (5 sec) il led si deve spegnere automaticamente. Con Flowgorithm disegnare il diagramma di flusso

Collegare la Raspberry PI e vedere l’indirizzo ip, collegarsi da un pc remoto con ssh e scrivere lo script bash richiesto. Documentare le varie fasi del progetto e aggiungere il documento alla propria�tabella progetti.

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Accensione luci interne auto intelligente

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Traccia per lo svolgimento progetto

TITOLO: Luci auto smart

OBIETTIVO: Progettare un sistema (simile a quello dell’accensione luci interne auto) che rilasciato il pulsante accenda il led. Dopo 2 minuti (5 sec) il led si deve spegnere automaticamente.

PREMESSE TEORICHE: <richiamare gli argomenti teorici necessari per realizzare il progetto>

PROGETTO: definizione dell’hardware, schema elettrico, con Flowgorithm disegnare il diagramma di flusso

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Schema elettrico

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Traccia per lo svolgimento progetto

IMPLEMENTAZIONE:

montaggio del circuito

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Traccia per lo svolgimento progetto

LAVORO PRELIMINARE OPZIONALE:

testiamo il funzionamento base del circuito montato: Ci colleghiamo alla Raspberry PI, leggiamo l’indirizzo ip, ci colleghiamo da un pc remoto con ssh.
Prima di scrivere il codice completo testiamo il funzionamento di led e pulsante

Scriviamo un programma che faccia accendere il led
Scriviamo un programma che legga lo stato del pulsante, alla pressione accende il led e al rilascio lo spegne.

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Traccia per lo svolgimento progetto

IMPLEMENTAZIONE:

traduzione del diagramma di flusso in codice

COLLAUDO:

verifichiamo il codice scritto documentando le varie prove eseguite

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Esercizio c

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Display oled

Collegare il display oled alla Raspberry e scrivere un script che visualizzi indirizzo ip e hostname utilizzando il programma “oled”�./oled "$(hostname): $(hostname -I)"

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Esercizio d

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Display oled

Scrivere un programma che letto un argomento da linea di comando lo visualizzi sul display. esempio:

./oled "$(hostname) $(hostname -I)"

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Esercizio e

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GPIO e thread

Realizzare un'applicazione con thread che faccia lampeggiare ad intervalli distinti due led collegati ai pin GPIO della Raspberry PI�

Definizione delle specifiche di progetto, analisi dei requisiti

pin sui quali sono collegati i led sono 4, 17
ip raspberry per ssh -> 93.63.169.237:2022 -> 10.10.0.100:22
intervalli per il lampeggio 1,3sec led1 e 3,4sec led2
pin e intervallo vengono passati come parametro al thread

Disegno (progettazione)

Disegnare lo schema elettrico.

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Valutazione

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Consegna del lavoro

Raccogliere in un documento, da aggiungere alla tabella progetti, i passaggi principali dell’esercitazione

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Grazie per l’attenzione

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Link/Riferimenti

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Revisioni

v1.0 14/05/21 - versione iniziale�v1.1 02/02/22 - nuovi esempi ed esercizi

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