Датчики Raspberry Pi

В этой статье Руши Гаджар , автор книги Raspberry Pi Sensors, вы увидите основные требования, необходимые для создания проектов RasPi. Вы ведь не можете прожить и дня без электроники? Электроника есть везде, от зубной щетки до автомобилей, самолетов и космических кораблей. Эта статья поможет вам понять концепции электроники, которые могут быть очень полезны при работе с RasPi.

Возможно, вы читали много книг по электронике, и они могли утомить вас концепциями, когда вы действительно хотели создавать или строить проекты. Я считаю, что должна быть причина для объяснений, касающихся электроники и ее приложений.

Как только вы узнаете об электронике, мы рассмотрим протоколы связи и их использование в отношении обмена данными между электронными компонентами и различные методы для этого. Перед началом работы с GPIO на RasPi перечислены полезные советы и меры предосторожности. Затем вы поймете функции GPIO и будете мигать светодиодом, используя код оболочки, Python и C.

Давайте рассмотрим некоторые основы электроники.

(Дополнительные ресурсы по этой теме см. здесь.)

Базовая терминология электроники

В мире электроники используется множество терминов. От оборудования до программного обеспечения - миллионы концепций используются для создания потрясающих продуктов и проектов. Вы уже знаете, что RasPi - это одноплатный компьютер, который содержит множество встроенных электронных компонентов, что позволяет нам очень удобно управлять и взаимодействовать с различными электронными устройствами, подключенными через его порт GPIO. В общем, когда мы говорим об электронике, это просто оборудование или схема, состоящая из нескольких интегральных схем . ( ИС ) с различными резисторами, конденсаторами, индукторами и многими другими компонентами. Но так бывает не всегда; Когда мы строим наше оборудование с программируемыми ИС, нам также необходимо позаботиться о внутреннем программировании (программном обеспечении). Например, в микроконтроллере или микропроцессоре, или даже в случае RasPi, мы можем передать программу (технически, постоянно записывать / выгружать программы) в ИС, чтобы при включении ИС она следовала шагам, написанным в программа и ведет себя так, как мы хотим. Так работают роботы, ваши стиральные машины и другая бытовая техника. Все эти устройства имеют разную сложность конструкции, которая зависит от их применения. Есть некоторые функции, которые могут выполняться как программными, так и аппаратными средствами. Дизайнер должен проанализировать компромисс, экспериментируя с обоими; например, функция декодера может быть записана в программном обеспечении, а также может быть реализована на аппаратном уровне путем подключения логических ИС. Разработчик должен проанализировать скорость, размер (как аппаратного, так и программного обеспечения), сложность и многие другие параметры для разработки таких функций. Цель обсуждения этих теорий - получить представление о том, насколько сложной может быть электроника. Для вас очень важно знать эти термины, потому что они вам часто понадобятся при создании проектов RasPi.

Кто обнаружил напряжение? Ладно, сейчас это не важно, давайте сначала разберемся. Основная концепция следует за физикой течения воды. Вода может течь двумя способами; один - водопад (например, с вершины горы на землю), а второй - сильное течение с использованием водяного насоса. Концепция понимания напряжения аналогична. Напряжение - это разность потенциалов между двумя точками, что означает, что разность напряжений позволяет переносить заряды (электроны) от более высокого потенциала к более низкому. Чтобы понять предыдущий пример, рассмотрим молнию, которую можно сравнить с водопадом, и батареи, которые можно сравнить с водяным насосом. Когда батареи подключены к цепи, химические реакции внутри них перекачивают поток зарядов от положительной клеммы к отрицательной. Напряжение всегда указывается в вольтах (В). Батарейка AA обычно подает 3 В. Кстати, термин «напряжение» был назван в честь великого ученого Алессандро Вольта, который изобрел гальванический элемент, который тогда был известен как элемент батареи.

Ток - это поток зарядов (электронов). Всякий раз, когда возникает разница напряжений, ток течет в фиксированном направлении от положительной (верхней) клеммы к отрицательной (нижней) клемме (известной как обычный ток). Сила тока измеряется в амперах (А). Электронный ток течет от отрицательной клеммы аккумулятора к положительной клемме. Чтобы избежать путаницы, мы будем следовать обычному току, который идет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи или источника.

Значение слова «сопротивляться» в Оксфордском словаре - «пытаться остановить или предотвратить». Как сказано в определении, резистор просто предотвращает протекание тока. Когда через резистор протекает ток, в нем происходит падение напряжения. Это падение напрямую зависит от силы тока, протекающего через резистор, и величины сопротивления. Для расчета величины падения напряжения на резисторе (или в цепи) используется формула, которая также называется законом Ома ( V =I * R ). Сопротивление измеряется в омах (Ом). Давайте посмотрим, как рассчитывается сопротивление на этом примере:если сопротивление составляет 10 Ом, а ток, протекающий от резистора, равен 1 А, то падение напряжения на резисторе составляет 10 В. Вот еще один пример:когда мы подключаем светодиоды к источнику питания 5 В, мы подключаем резистор 330 Ом последовательно со светодиодами, чтобы предотвратить сгорание светодиодов из-за чрезмерного тока. Резистор снижает напряжение в нем и защищает светодиоды. Мы будем широко использовать резисторы для развития наших проектов.

Резистор рассеивает энергию в виде тепла. В отличие от этого, конденсатор накапливает энергию между двумя проводящими пластинами. Часто конденсаторы используются для фильтрации напряжения, подаваемого в цепях фильтров, и для генерации чистого голоса в цепях усилителя. Объяснение концепции емкости будет слишком объемным для этой статьи, поэтому позвольте мне перейти к главному:когда у нас есть батареи для хранения энергии, зачем нам использовать конденсаторы в наших схемах? Использование конденсатора в цепи дает несколько преимуществ. Во многих книгах будет сказано, что он действует как фильтр или ограничитель перенапряжения, и в них будут использоваться такие термины, как сглаживание мощности, развязка, блокировка по постоянному току и т. Д. В наших приложениях, когда мы используем конденсаторы с датчиками, они удерживают уровень напряжения в течение некоторого времени, чтобы у микропроцессора было достаточно времени, чтобы прочитать это значение напряжения. Данные датчика сильно различаются. Он должен быть стабильным, пока микропроцессор считывает это значение, чтобы избежать ошибочных вычислений. Время удержания конденсатора зависит от постоянной времени RC, которая будет объяснена, когда мы фактически будем его использовать.

Теперь есть интересный момент, на который следует обратить внимание:когда на клемме есть напряжение, но никакие компоненты не подключены к клеммам, нет протекания тока, что часто называется разомкнутой цепью. Напротив, когда две клеммы соединены, с компонентом или без него, и заряд может течь, это называется коротким замыканием, подключенным контуром или замкнутым контуром.

<цитата>

Предупреждение для вас:не закорачивайте (не соединяйте напрямую) две клеммы источника питания, такие как батареи, адаптеры и зарядные устройства. Это может привести к серьезным повреждениям, в том числе к возгоранию и отказу компонентов. Если мы подключим проводящий провод без сопротивления, посмотрим, к чему приведет закон Ома:R =0 Ом, затем I =V / 0, поэтому I =∞A. Теоретически это называется бесконечным (неисчислимым), а на практике это означает пожар или взрыв!

В теории электричества, когда ток, протекающий через компонент, не делится на пути, это последовательное соединение. Кроме того, если ток, протекающий через каждый компонент, одинаков, то говорят, что эти компоненты включены последовательно. Если напряжение на всех компонентах одинаково, соединение считается параллельным. В схеме может быть комбинация последовательного и параллельного подключения. Следовательно, цепь не может быть чисто последовательной или параллельной. Давайте изучим схемы, показанные на следующей схеме:

На первый взгляд, этот рисунок выглядит сложным с множеством обозначений, но давайте рассмотрим каждый компонент отдельно. На рисунке слева показано последовательное соединение компонентов. Аккумулятор подает напряжение ( V ) и текущий ( I ). Направление тока показано по часовой стрелке. Как объяснялось, при последовательном соединении ток, протекающий через все компоненты, одинаков, но значения напряжения на всех компонентах различаются. Следовательно, V =V1 + V2 + V3 . Например, если аккумулятор питает 12 В, то напряжение на каждом резисторе составляет 4 В. Ток, протекающий через каждый резистор, составляет 4 мА (поскольку V =IR и R =R1 + R2 + R3 =3K ).

На рисунке справа показано параллельное соединение. Здесь каждый из компонентов получает одинаковое напряжение, но ток разделяется на разные пути. Ток, протекающий от положительного полюса батареи, равен I, который делится на I1 и I2. Когда I1 переходит к следующему узлу, он снова делится на две части и проходит через R5 и R6. Следовательно, в параллельной схеме I =I1 + I2 . Напряжение на всех резисторах остается одинаковым. Например, если аккумулятор питает 12 В, напряжение на всех резисторах равно 12 В, но ток через все резисторы будет другим. В примере параллельного подключения ток, протекающий через каждую цепь, можно рассчитать, применяя уравнения деления тока. Попробуйте посчитать!

Когда есть комбинация последовательных и параллельных цепей, требуются дополнительные вычисления и анализ. Законы Кирхгофа, узлы и сеточные уравнения могут использоваться для решения таких схем. Все это слишком сложно объяснять в этой статье; вы можете сослаться на любые стандартные книги по теории схем и получить в них опыт.

<цитата>

Текущий закон Кирхгофа:в любом узле (соединении) в электрической цепи сумма токов, протекающих в этот узел, равна сумме токов, вытекающих из этого узла.

Закон Кирхгофа о напряжении:направленная сумма разностей электрических потенциалов (напряжения) вокруг любой замкнутой сети равна нулю.

Подтягивающие и понижающие резисторы - один из важных терминов в проектировании электронных систем. Как сказано в названии, есть два типа подтягивающих резисторов:подтягивающие и понижающие. Оба имеют одинаковые функции, но разница в том, что подтягивающий резистор подтягивает клемму к подаваемому напряжению, а подтягивающий резистор подтягивает клемму к земле или общей линии. Значение подключения тянущего резистора к узлу или клемме состоит в том, чтобы вернуть логический уровень к значению по умолчанию, когда на этой конкретной клемме нет входа. Преимущество включения подтягивающего или понижающего резистора состоит в том, что он делает схему чувствительной к шуму, а логический уровень (1 или 0) не может быть изменен из-за небольшого изменения напряжения (из-за шума) на плате. Терминал. Давайте посмотрим на пример, показанный на следующем рисунке. Он показывает пример подтягивания с вентилем НЕ (вентиль НЕ дает инвертированный выход на своем выводе OUT; поэтому, если логическая единица является входом, выход равен логическому нулю). Мы рассмотрим эффекты с подтягивающим резистором и без него. То же самое и с понижающим резистором.

Как правило, логические элементы имеют высокий импеданс на входной клемме, поэтому, когда на входной клемме нет соединения, она называется плавающей. Теперь, на предыдущем рисунке, крайнее левое соединение не рекомендуется, потому что, когда переключатель разомкнут (состояние ВЫКЛ), он оставляет входной терминал плавающим, и любой шум может изменить входное состояние логического элемента НЕ. Причина шума может быть любой. Даже открытые клеммы могут действовать как антенна и создавать шум на контакте логического элемента НЕ. Схема, показанная в середине, представляет собой подтягивающую схему без резистора, и ее настоятельно не рекомендуется использовать. Такое соединение можно назвать подтягивающим, но его никогда не следует использовать. Когда переключатель замкнут (состояние ON), VCC получает прямой путь к земле, что аналогично короткому замыканию. Большой ток будет течь от VCC к земле, и это может повредить вашу цепь.

На крайнем правом рисунке показан лучший способ подтягивания, потому что есть резистор, в котором произойдет некоторое падение напряжения. Когда переключатель разомкнут, терминал ворот НЕ будет перемещен в VCC (подтянут вверх), что является значением по умолчанию. Когда переключатель замкнут, входная клемма логического элемента НЕ будет подключена к земле, и он перейдет в состояние логического нуля. На этот раз ток, протекающий через резистор, будет номинальным. Например, если VCC =5V, R7 =1K и I =V / R , то I =5 мА, что находится в безопасной области. В примере с понижающей схемой может быть переключение между переключателем и резистором. Резистор будет подключен между землей и входной клеммой затвора НЕ. При использовании датчиков и ИС имейте в виду, что если в таблицах данных или технических руководствах есть указание на использование подтягиваний или выпадений, рекомендуется использовать их везде, где это необходимо.

Коммуникационные протоколы

До сих пор это было много теории. В качестве периферийных устройств микропроцессора может быть множество компонентов, включая микросхемы и цифровые датчики. На периферийных устройствах может быть большой объем данных, и может возникнуть необходимость отправить их в процессор. Как они общаются? Как процессор понимает, что данные поступают в него и что они отправляются датчиком? Между ИС и микропроцессором существует последовательное или параллельное соединение по линии передачи данных. Параллельные соединения быстрее, чем последовательные, но менее предпочтительны, потому что для них требуется больше линий, например 8, 16 или больше. Шина PCI может быть примером параллельной связи. Обычно в сложной схеме или схеме высокой плотности процессор подключается ко многим периферийным устройствам, и в этом случае у нас не может быть такого количества свободных контактов / линий для подключения дополнительной одиночной ИС. Для последовательной связи требуется до четырех линий, в зависимости от используемого протокола. Тем не менее, нельзя сказать, что последовательная связь лучше параллельной, но последовательная связь предпочтительнее, когда в картину входит небольшое количество выводов. При последовательной связи данные пересылаются кадрами или пакетами. Большие данные разбиваются на фрагменты и отправляются по строкам кадром или пакетом. Итак, что такое протокол? Протокол - это набор правил, которым необходимо следовать при взаимодействии ИС с микропроцессором, и он не ограничивается подключением. Протокол также определяет структуру фрейма данных, длину фрейма, уровни напряжения, типы данных, скорость передачи данных и так далее. Существует множество стандартных последовательных протоколов, таких как UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C и другие. Модели RasPi 1 B, A +, B + и RasPi 2 модели B имеют один вывод SPI, один вывод I2C и один вывод UART, доступные на порте расширения. Мы будем видеть эти протоколы один за другим.

UART - это очень распространенный интерфейс или протокол, который можно найти почти в каждом ПК или микропроцессоре. UART - это сокращенная форма универсального асинхронного приемника и передатчика. Это также известно как стандарт RS-232. Этот протокол является полнодуплексным и представляет собой полный стандарт, включая электрические, механические и физические характеристики для конкретного случая связи. Когда данные отправляются по шине, уровни данных необходимо изменить в соответствии с уровнями шины RS-232. Передатчик на шине передает переменные напряжения. Значение напряжения больше 3 В - это логический ноль, а значение напряжения меньше -3 В - логическая единица. Значения от -3 В до 3 В называются неопределенными состояниями. Микропроцессор отправляет данные в транзисторно-транзисторную логику . ( TTL ) уровень; когда мы отправляем их в шину, уровни напряжения должны быть увеличены до стандарта RS-232. Это означает, что для преобразования напряжения с логических уровней микропроцессора (0 В и 5 В) на эти уровни и обратно нам потребуется микросхема сдвига уровня, такая как MAX232. Данные отправляются через разъем DB9 и кабель RS-232. Сдвиг уровня полезен, когда мы общаемся на большом расстоянии.

Что происходит, когда нам нужно подключиться без этих дополнительных микросхем переключателя уровня? Это соединение называется NULL-соединением, как показано на следующем рисунке. Можно заметить, что контакты передачи и приема передатчика перекрестно соединены, а контакты заземления являются общими. Это может быть полезно при общении на короткие расстояния. В UART очень важно, чтобы скорости передачи (символов, передаваемых в секунду) между передатчиком и приемником совпадали. В большинстве случаев мы будем использовать 9600 или 115200 в качестве скорости передачи данных. Типичный кадр связи UART состоит из стартового бита (обычно 0, который сообщает приемнику, что поток данных вот-вот начнется), данных (обычно 8 бит) и стопового бита (обычно 1, который сообщает приемнику, что передача идет. над).

Дополнительные сведения:датчики Raspberry Pi