Raspberry Pi-Sensoren

In diesem Artikel von Rushi Gajjar , Autor des Buches Raspberry Pi Sensors, erfahren Sie, welche Grundvoraussetzungen für die Erstellung der RasPi-Projekte erforderlich sind. Sie können nicht einmal einen Tag ohne Elektronik verbringen, oder? Elektronik ist überall, von der Zahnbürste über Autos bis hin zu Flugzeugen und Raumschiffen. Dieser Artikel wird Ihnen helfen, die Konzepte der Elektronik zu verstehen, die bei der Arbeit mit dem RasPi sehr nützlich sein können.

Sie haben vielleicht viele Bücher über Elektronik gelesen und sie haben Sie möglicherweise mit Konzepten gelangweilt, als Sie wirklich Projekte erstellen oder bauen wollten. Ich glaube, es muss einen Grund für Erklärungen zur Elektronik und ihren Anwendungen geben.

Sobald Sie sich mit der Elektronik auskennen, werden wir die Kommunikationsprotokolle und ihre Verwendung in Bezug auf die Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten und verschiedene Techniken dafür durchgehen. Nützliche Tipps und Vorsichtsmaßnahmen sind aufgeführt, bevor Sie mit der Arbeit mit GPIOs auf dem RasPi beginnen. Dann werden Sie die Funktionen von GPIO verstehen und die LED mit Shell-, Python- und C-Code blinken lassen.

Lassen Sie uns einige der Grundlagen der Elektronik behandeln.

(Weitere Ressourcen zu diesem Thema finden Sie hier.)

Grundbegriffe der Elektronik

In der Welt der Elektronik werden zahlreiche Terminologien verwendet. Von der Hardware bis zur Software gibt es Millionen von Konzepten, aus denen erstaunliche Produkte und Projekte entstehen. Sie wissen bereits, dass der RasPi ein Einplatinencomputer ist, der zahlreiche elektronische Komponenten enthält, die es uns sehr bequem machen, die verschiedenen elektronischen Geräte, die über seinen GPIO-Port angeschlossen sind, zu steuern und zu verbinden. Wenn wir über Elektronik sprechen, ist es im Allgemeinen nur die Hardware oder eine Schaltung, die aus mehreren Integrierten Schaltungen besteht (ICs ) mit verschiedenen Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und vielen weiteren Komponenten. Aber das ist nicht immer der Fall; Wenn wir unsere Hardware mit programmierbaren ICs bauen, müssen wir uns auch um die interne Programmierung (die Software) kümmern. Zum Beispiel können wir in einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor oder sogar im RasPi-Fall das Programm in die ICs einspeisen (technisch die Programme dauerhaft brennen/dumpen), so dass es beim Einschalten des ICs den Schritten folgt, die in der Programm und verhält sich so, wie wir es wollen. So funktionieren Roboter, Ihre Waschmaschinen und andere Haushaltsgeräte. Alle diese Geräte haben unterschiedliche konstruktive Komplexität, die von ihrer Anwendung abhängt. Es gibt einige Funktionen, die sowohl von Software als auch von Hardware ausgeführt werden können. Der Designer muss den Kompromiss analysieren, indem er mit beiden experimentiert; Beispielsweise kann die Decoderfunktion in die Software geschrieben werden und auch hardwaremäßig durch den Anschluss von logischen ICs realisiert werden. Der Entwickler muss die Geschwindigkeit, Größe (sowohl in der Hardware als auch in der Software), die Komplexität und viele weitere Parameter analysieren, um solche Funktionen zu entwerfen. Der Sinn der Diskussion dieser Theorien besteht darin, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie komplex Elektronik sein kann. Es ist sehr wichtig, dass Sie diese Terminologien kennen, da Sie sie beim Erstellen der RasPi-Projekte häufig benötigen.

Wer hat die Spannung entdeckt? Okay, das ist jetzt nicht wichtig, lass es uns zuerst verstehen. Das Grundkonzept folgt der Physik des Wasserflusses. Wasser kann auf zwei Arten fließen; einer ist ein Wasserfall (z. B. von einem Berggipfel auf den Boden) und der zweite ist eine kraftvolle Strömung mit einer Wasserpumpe. Das Konzept hinter dem Verständnis von Spannung ist ähnlich. Spannung ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten, d. h. eine Spannungsdifferenz ermöglicht den Fluss von Ladungen (Elektronen) vom höheren Potenzial zum niedrigeren Potenzial. Um das obige Beispiel zu verstehen, betrachten Sie Blitze, die mit einem Wasserfall verglichen werden können, und Batterien, die mit einer Wasserpumpe verglichen werden können. Wenn Batterien an einen Stromkreis angeschlossen sind, pumpen chemische Reaktionen in ihnen den Ladungsfluss vom Pluspol zum Minuspol. Spannung wird immer in Volt (V) angegeben. Die AA-Batteriezelle liefert normalerweise 3V. Der Begriff Spannung wurde übrigens nach dem großen Wissenschaftler Alessandro Volta benannt, der die Voltaische Zelle erfand, die damals als Batteriezelle bekannt war.

Strom ist der Fluss von Ladungen (Elektronen). Immer wenn eine Spannungsdifferenz erzeugt wird, führt dies dazu, dass Strom in einer festen Richtung vom positiven (höheren) Anschluss zum negativen (unteren) Anschluss fließt (bekannt als konventioneller Strom). Der Strom wird in Ampere (A) gemessen. Der Elektronenstrom fließt vom Minuspol der Batterie zum Pluspol. Um Verwechslungen zu vermeiden, folgen wir dem herkömmlichen Strom, der vom Pluspol zum Minuspol der Batterie oder der Quelle verläuft.

Die Bedeutung des Wortes „widerstehen“ im Oxford-Wörterbuch ist „versuchen zu stoppen oder zu verhindern“. Wie die Definition sagt, verhindert ein Widerstand einfach den Stromfluss. Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, fällt dort eine Spannung ab. Dieser Abfall hängt direkt von der durch den Widerstand fließenden Strommenge und dem Wert des Widerstands ab. Es gibt eine Formel zur Berechnung des Spannungsabfalls am Widerstand (oder in der Schaltung), die auch als Ohmsches Gesetz bezeichnet wird (V =I * R ). Der Widerstand wird in Ohm (Ω) gemessen. Sehen wir uns an, wie der Widerstand mit diesem Beispiel berechnet wird:Wenn der Widerstand 10 beträgt und der vom Widerstand fließende Strom 1 A beträgt, beträgt der Spannungsabfall am Widerstand 10 V. Hier ist ein weiteres Beispiel:Wenn wir LEDs an eine 5V-Versorgung anschließen, schalten wir einen 330Ω-Widerstand in Reihe mit den LEDs, um ein Abblasen der LEDs durch zu hohen Strom zu verhindern. Der Widerstand lässt etwas Spannung ab und schützt die LEDs. Wir werden in großem Umfang Widerstände verwenden, um unsere Projekte zu entwickeln.

Ein Widerstand leitet Energie in Form von Wärme ab. Im Gegensatz dazu speichert ein Kondensator Energie zwischen seinen beiden leitenden Platten. Kondensatoren werden häufig verwendet, um die in Filterschaltungen gelieferte Spannung zu filtern und in Verstärkerschaltungen eine klare Stimme zu erzeugen. Das Konzept der Kapazität zu erklären wird für diesen Artikel zu umfangreich sein, also lassen Sie mich zum Hauptpunkt kommen:Wenn wir Batterien zum Speichern von Energie haben, warum müssen wir dann Kondensatoren in unseren Schaltkreisen verwenden? Die Verwendung eines Kondensators in einer Schaltung hat mehrere Vorteile. Viele Bücher werden Ihnen sagen, dass es als Filter oder Überspannungsschutz fungiert, und sie verwenden Begriffe wie Leistungsglättung, Entkopplung, DC-Blockierung und so weiter. Wenn wir in unseren Anwendungen Kondensatoren mit Sensoren verwenden, halten sie den Spannungspegel für einige Zeit, damit der Mikroprozessor genügend Zeit hat, diesen Spannungswert zu lesen. Die Daten des Sensors variieren stark. Es muss stabil sein, solange ein Mikroprozessor diesen Wert liest, um fehlerhafte Berechnungen zu vermeiden. Die Haltezeit eines Kondensators hängt von einer RC-Zeitkonstante ab, die bei der tatsächlichen Verwendung erklärt wird.

Nun ist ein interessanter Punkt zu beachten:Wenn an der Klemme Spannung anliegt, aber keine Komponenten an den Klemmen angeschlossen sind, fließt kein Strom, was oft als offener Stromkreis bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu, wenn zwei Anschlüsse mit oder ohne eine Komponente verbunden sind und Ladung fließen kann, wird dies als Kurzschluss, verbundener Stromkreis oder geschlossener Stromkreis bezeichnet.

Hier ist eine Warnung für Sie:Schließen Sie die beiden Anschlüsse eines Netzteils wie Batterien, Adapter und Ladegeräte nicht kurz (direkt verbinden). Dies kann schwerwiegende Schäden verursachen, einschließlich Brandschäden und Komponentenversagen. Wenn wir einen leitenden Draht ohne Widerstand anschließen, sehen wir uns an, was das Ohmsche Gesetz ergibt:R =0Ω dann I =V/0, also I =∞A. Theoretisch wird dies als unendlich (unzählig) bezeichnet und bedeutet praktisch ein Feuer oder eine Explosion!

Wenn sich der durch eine Komponente fließende Strom nicht in Pfade aufteilt, handelt es sich in der Elektrotheorie um eine Reihenschaltung. Wenn der durch jede Komponente fließende Strom gleich ist, werden diese Komponenten als in Reihe geschaltet. Ist die Spannung an allen Komponenten gleich, spricht man von einer Parallelschaltung. In einer Schaltung können Reihen- und Parallelschaltungen kombiniert werden. Daher kann es sich bei einer Schaltung nicht um eine reine Reihen- oder Parallelschaltung handeln. Schauen wir uns die Schaltungen im folgenden Diagramm an:

Auf den ersten Blick sieht diese Figur mit vielen Notationen komplex aus, aber schauen wir uns jede Komponente einzeln an. Die Abbildung links ist eine Reihenschaltung von Komponenten. Der Akku liefert Spannung (V ) und aktuell (Ich ). Die Richtung des Stromflusses wird im Uhrzeigersinn angezeigt. Wie erläutert, ist bei einer Reihenschaltung der Strom, der durch alle Komponenten fließt, gleich, aber die Spannungswerte über alle Komponenten sind unterschiedlich. Daher V =V1 + V2 + V3 . Wenn die Batterie beispielsweise 12 V liefert, beträgt die Spannung an jedem Widerstand 4 V. Der durch jeden Widerstand fließende Strom beträgt 4 mA (weil V =IR und R =R1 + R2 + R3 =3K ).

Die Abbildung rechts stellt eine Parallelschaltung dar. Hier bekommt jede der Komponenten die gleiche Spannung, aber der Strom wird auf verschiedene Pfade aufgeteilt. Der vom Pluspol der Batterie fließende Strom ist I, der in I1 und I2 unterteilt ist. Wenn I1 zum nächsten Knoten fließt, wird er wieder in zwei Teile geteilt und durch R5 und R6 geflogen. Daher gilt in einer Parallelschaltung I =I1 + I2 . Die Spannung bleibt an allen Widerständen gleich. Wenn die Batterie beispielsweise 12 V liefert, beträgt die Spannung an allen Widerständen 12 V, aber der Strom durch alle Widerstände ist unterschiedlich. Im Parallelschaltungsbeispiel kann der durch jeden Stromkreis fließende Strom durch Anwendung der Stromteilungsgleichungen berechnet werden. Versuchen Sie es mit der Berechnung!

Bei einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen sind mehr Berechnungen und Analysen erforderlich. Kirchhoffs Gesetze, Knoten und Maschengleichungen können verwendet werden, um solche Schaltungen zu lösen. All das ist zu komplex, um es in diesem Artikel zu erklären; Sie können auf alle gängigen Bücher zur Schaltungstheorie verweisen und sich darin Fachwissen aneignen.

Kirchhoffs Stromgesetz:An jedem Knoten (Verbindung) in einem Stromkreis ist die Summe der Ströme, die in diesen Knoten fließen, gleich der Summe der Ströme, die aus diesem Knoten herausfließen.

Kirchhoffsches Spannungsgesetz:Die gerichtete Summe der elektrischen Potentialdifferenzen (Spannung) um jedes geschlossene Netz ist Null.

Pull-up- und Pull-down-Widerstände sind eine der wichtigen Terminologien im Design elektronischer Systeme. Wie der Titel schon sagt, gibt es zwei Arten von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen. Beide haben die gleiche Funktionalität, der Unterschied besteht jedoch darin, dass der Pull-Up-Widerstand den Anschluss auf die zugeführte Spannung zieht und der Pull-Down-Widerstand den Anschluss auf Masse oder die gemeinsame Leitung zieht. Die Bedeutung des Anschließens eines Ziehwiderstands an einen Knoten oder eine Klemme besteht darin, den Logikpegel auf den Standardwert zurückzusetzen, wenn an dieser bestimmten Klemme kein Eingang vorhanden ist. Der Vorteil eines Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstands besteht darin, dass er die Schaltung anfällig für Rauschen macht und der logische Pegel (1 oder 0) nicht von einer kleinen Variation in Bezug auf die Spannungen (aufgrund von Rauschen) auf dem geändert werden kann Terminal. Schauen wir uns das Beispiel in der folgenden Abbildung an. Es zeigt ein Pull-up-Beispiel mit einem NOT-Gatter (ein NOT-Gatter liefert einen invertierten Ausgang an seinem OUT-Anschluss; wenn also logisch Eins der Eingang ist, ist der Ausgang logisch Null). Wir betrachten die Effekte mit und ohne Pull-Up-Widerstand. Das gleiche gilt für den Pull-Down-Widerstand.

Im Allgemeinen haben Logikgatter eine hohe Impedanz an ihrem Eingangsanschluss, so dass, wenn keine Verbindung am Eingangsanschluss besteht, er als schwebend bezeichnet wird. In der vorherigen Abbildung wird die Verbindung ganz links nicht empfohlen, da bei geöffnetem Schalter (OFF-Zustand) der Eingangsanschluss schwebend bleibt und jegliches Rauschen den Eingangszustand des NOT-Gatters ändern kann. Der Grund für das Geräusch kann beliebig sein. Sogar die offenen Anschlüsse können als Antenne fungieren und Rauschen am Pin des NICHT-Gatters erzeugen. Die in der Mitte gezeigte Schaltung ist eine Pull-Up-Schaltung ohne Widerstand und es wird dringend empfohlen, sie nicht zu verwenden. Diese Art der Verbindung kann als Pull-up bezeichnet werden, sollte jedoch niemals verwendet werden. Wenn der Schalter geschlossen ist (EIN-Zustand), erhält die VCC einen direkten Weg zur Masse, was einem Kurzschluss gleichkommt. Es fließt viel Strom von VCC zur Erde, und dies kann Ihren Stromkreis beschädigen.

Die Abbildung ganz rechts zeigt den besten Weg zum Hochziehen, da es einen Widerstand gibt, in dem ein gewisser Spannungsabfall auftritt. Wenn der Schalter geöffnet ist, wird der Anschluss des NOT-Gates auf VCC (nach oben gezogen) geflogen, was die Standardeinstellung ist. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Eingangsanschluss des NICHT-Gatters mit Masse verbunden und erfährt den logischen Nullzustand. Der Strom, der durch den Widerstand fließt, ist diesmal nominal. Beispiel:VCC =5V, R7 =1K und I =V/R , dann I =5mA, was im sicheren Bereich liegt. Für das Pull-Down-Schaltungsbeispiel kann es einen Austausch zwischen dem Schalter und einem Widerstand geben. Der Widerstand wird zwischen Masse und dem Eingangsanschluss des NICHT-Gatters angeschlossen. Denken Sie bei der Verwendung von Sensoren und ICs daran, dass es empfohlen wird, diese bei Bedarf zu verwenden, wenn in Datenblättern oder technischen Handbüchern die Verwendung von Pullups oder Pulldowns angegeben ist.

Kommunikationsprotokolle

Bisher war es viel Theorie. Als Peripheriegeräte eines Mikroprozessors können zahlreiche Komponenten vorhanden sein, darunter ICs und digitale Sensoren. Bei den Peripheriegeräten können große Datenmengen anfallen, die möglicherweise an den Prozessor gesendet werden müssen. Wie kommunizieren sie? Wie versteht der Prozessor, dass die Daten in ihn eingehen und vom Sensor gesendet werden? Zwischen ICs und einem Mikroprozessor besteht eine serielle oder parallele Datenleitungsverbindung. Parallele Verbindungen sind schneller als serielle Verbindungen, werden jedoch weniger bevorzugt, da sie mehr Leitungen erfordern, beispielsweise 8, 16 oder mehr. Ein PCI-Bus kann ein Beispiel für eine parallele Kommunikation sein. Normalerweise ist der Prozessor in einer komplexen oder hochdichten Schaltung mit vielen Peripheriegeräten verbunden, und in diesem Fall können wir nicht so viele freie Pins/Leitungen haben, um einen zusätzlichen einzelnen IC anzuschließen. Die serielle Kommunikation benötigt je nach verwendetem Protokoll bis zu vier Leitungen. Dennoch kann nicht gesagt werden, dass die serielle Kommunikation besser ist als die parallele, aber seriell wird bevorzugt, wenn niedrige Pinzahlen ins Spiel kommen. Bei der seriellen Kommunikation werden Daten über Frames oder Pakete gesendet. Große Datenmengen werden in Blöcke aufgeteilt und per Frame oder Paket über die Leitungen gesendet. Was ist nun ein Protokoll? Ein Protokoll ist ein Satz von Regeln, die beim Verbinden der ICs mit dem Mikroprozessor befolgt werden müssen, und ist nicht auf die Verbindung beschränkt. Das Protokoll definiert auch die Datenrahmenstrukturen, Rahmenlängen, Spannungspegel, Datentypen, Datenraten usw. Es gibt viele serielle Standardprotokolle wie UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C und mehr. Die RasPi 1-Modelle B, A+, B+ und das RasPi 2-Modell B verfügen über einen SPI-Pin, einen I2C-Pin und einen UART-Pin am Erweiterungsport. Wir werden diese Protokolle nacheinander sehen.

UART ist eine sehr verbreitete Schnittstelle oder ein Protokoll, das in fast jedem PC oder Mikroprozessor zu finden ist. UART ist die abgekürzte Form von Universal Asynchronous Receiver and Transmitter. Dies wird auch als RS-232-Standard bezeichnet. Dieses Protokoll ist Vollduplex und ein vollständiger Standard, einschließlich elektrischer, mechanischer und physikalischer Eigenschaften für eine bestimmte Kommunikationsinstanz. Wenn Daten über einen Bus gesendet werden, müssen die Datenpegel an die RS-232-Buspegel angepasst werden. Unterschiedliche Spannungen werden von einem Sender auf einen Bus gesendet. Ein Spannungswert von mehr als 3 V ist logisch Null, während ein Spannungswert von weniger als -3 V logisch Eins ist. Werte zwischen -3V bis 3V werden als undefinierte Zustände bezeichnet. Der Mikroprozessor sendet die Daten an die Transistor-Transistor-Logik (TTL ) eben; Wenn wir sie an den Bus senden, sollten die Spannungspegel auf den RS-232-Standard erhöht werden. Dies bedeutet, dass wir zum Umwandeln der Spannung von den Logikpegeln eines Mikroprozessors (0 V und 5 V) auf diese Pegel und zurück einen Pegelumsetzer-IC wie MAX232 benötigen. Die Daten werden über einen DB9-Anschluss und ein RS-232-Kabel gesendet. Level Shifting ist nützlich, wenn wir über große Entfernungen kommunizieren.

Was passiert, wenn wir ohne diese zusätzlichen Level-Shifter-ICs verbinden müssen? Diese Verbindung wird als NULL-Verbindung bezeichnet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Es ist zu beobachten, dass die Sende- und Empfangspins eines Senders über Kreuz verbunden sind und die Massepins gemeinsam genutzt werden. Dies kann bei der Kommunikation über kurze Distanzen nützlich sein. Bei UART ist es sehr wichtig, dass die Baudraten (pro Sekunde übertragene Symbole) zwischen Sender und Empfänger übereinstimmen. Die meiste Zeit werden wir 9600 oder 115200 als Baudraten verwenden. Der typische Rahmen der UART-Kommunikation besteht aus einem Startbit (normalerweise 0, das dem Empfänger mitteilt, dass der Datenstrom gleich beginnt), Daten (normalerweise 8 Bit) und einem Stoppbit (normalerweise 1, das dem Empfänger mitteilt, dass die Übertragung abgeschlossen ist) vorbei).

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