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Raspberry Pi 3B+(以下ラズパイ)には、４０ピンのGPIOピンがあります。
このGPIOピンの機能を理解していないとブレッドボードを使ってのセンサーの接続もできません。
ラズパイのGPIO４０ピンについて、各ピンにはどういう機能設定ができるのかは、
ラズパイのサイトに記載されていますが、私の理解を深める意味も兼ねて解説したいと思います。
また、RaspberryPi 4BのGPIOピン割り当ても基本的には、3B+と同様です。
１．ラズパイのGPIOピンについて
GPIOピンは、ラズパイのこの位置にあります。
まあすぐにわかりますね。
しかし注意しなければならないのは、ピン番号順にGPIO番号が割り振られていません。
結構面倒です。
なので、どのピンがどのGPIO番号なのかを把握しておく必要があります。
一番手っ取り早いのは、ラズパイ用のT字型GPIO拡張ボードに各ピンの機能が記載されているのですぐわかります。
これがT字型GPIO拡張ボードで、各ピンに機能とGPIO番号が記載されています。
GPIOピンは、機能設定しなければGPIO機能として使用することができます。
どういうことかというと、
デスクトップ画面のラズパイ設定で、I2CやSPI、UARTを有効/無効にする設定がありますが、
無効の状態ではGPIOとして使用できます。
しかし、センサーなど接続するにはこれらを有効にしなければなりません。
GPIOとして使うメリットは様々ありますが、シリアル通信で使えるピンは決まっているので、
GPIOとして使いたい場合は、 シリアル通信線の機能が割り当たっていないピンを使うべきです。
単にGPIO番号だけを知りたい場合は、ラズパイのターミナルから
$ pinout
を実行すると、
こんな感じで、GPIOピンに対応したGPIO番号が表示されます。
２．I2Cの使用
I2Cの通信線は２線で構成されており、
・SDA1(データ線)は、GPIO2
・SCL1(クロック線)は、GPIO3
になります。
ラズパイの設定でI2Cを有効にするとI2C通信線としてこの２線を使用することができます。
I2Cは、デバイスを最大112個接続することができますが、1つのラインに多くて5個ぐらいがほとんどです。
複数のデバイスに同時に通信を行うと通信線を共有しているので、通信データ量が多いと、
他のデバイスに遅延が発生してしまいます。
なので、LCDのように通信量が多いデバイスは1ラインに1デバイスが一番効率が良いです。
３．SPIの使用
SPIの通信線は、４線で構成されており、 ラズパイはSPI0とSPI1の２チャンネルあります。
各チャンネルのGPIOの割り当ては次のとおりです。
| SPI0 | SPI1 | |
|---|---|---|
| MOSI | GPIO 10 | GPIO 20 |
| MISO | GPIO 9 | GPIO 19 |
| SCLK | GPIO 11 | GPIO 21 |
| CE0 | GPIO 8 | GPIO 18 |
| CE1 | GPIO 7 | GPIO 17 |
| CE2 | - | GPIO 16 |
SPIは、I2Cと違ってスレーブアドレスが存在しないので、CE*を使用して通信を行います。
SPI0は、CEが２つあるので２つのデバイスが接続可能、
SPI1は、CEが３つあるので３つのデバイスが接続可能になります。
CEってチップイネーブルの略だそうですが、初めて耳にしました。
よく使われるのは、SS(スレーブセレクト)やCS(チップセレクト)だと思いますが、
CEもよく使われるのでしょうか？
まあ、どちらにせよ目的のデバイスを動作させるために使用する線だということは変わりありません。
４．UARTの使用
UARTは、TX/RXの２線で構成なので調歩同期式で通信します。
GPIOの割り当ては、
・TXは、GPIO14
・RXは、GPIO15
です。
UARTは、 I2CのスレーブアドレスやSPIのCEが無いので、1ラインに1デバイス接続になります。
また、調歩同期式なので、スタートビット/ストップビットで通信を行います。
GPSセンサーなどがよくUARTを使っています。
５．電源の使用
デバイスに電力を供給するための電源がGPIOピンに割り当てられています。
・3.3V － ピン番号１、１７
・5V － ピン番号２、４
・GND － ピン番号６、９、１４、２０、２５、３０、３４、３９
ブレッドボードの電源ラインとジャンプワイヤでつないだり、直接デバイスと接続します。
また、GNDも、ロジックアナライザで波形を観測する際に使用したりします。
６．最後に
組み込みやセンサーの勉強をする前に、
まずは理解しておきたい通信線と電源が割り当たっているGPIOピンについて解説しました。
とりあえず、これらを把握しているとデバイスの接続が簡単にできるようになります。
そして、センサーの制御を行うサンプルコードを動作させる際に、
プログラム動作のイメージができ理解度が深まると思います。
また、もしGPIO拡張ボードの購入を考えているなら、
このようなセンサーキットとセットになっているものがおすすめです。
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