Inhalt Raspberry Pi Versionen und Verwandte Aufbau und Funktionalität Mehrzweckein- und Ausgänge / Schnittstellen Spezielles - Physik-Institut
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Inhalt
Raspberry Pi
Versionen und Verwandte
Aufbau und Funktionalität
Mehrzweckein- und Ausgänge / Schnittstellen
Spezielles
Arno Gadola
PHY 250 Elektronik -1- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Raspberry Pi
- Raspberry Pi Foundation (Stiftung)
- Raspberry Pi Trading verantwortlich für Herstellung und Vertrieb der Hardware
- Ziel: Förderung des Informatikstudiums und verwandte Themen durch erschwingliche Hardware und
einfache Progammierung derselben
- 2012 Veröffentlichung des ersten Raspberry Pi’s
- Raspberry Pi ist ein günstiger und leistungsfähiger
Einplatinencomputer (Single-Board Computer)
- Leistung geht von 700MHz CPU und 256MB RAM bis
Quad-Core 1.4GHz CPU mit 1GB RAM
- Betriebssystem basiert auf Linux Debian (Raspbian)
- Benennung Raspberry (Himbeere) und PI = Python Interpreter
- Preisspanne 10-45 CHF
- https://www.raspberrypi.org/
- https://www.raspberrypi.org/jam/ (Organisierte Events)
- Es gibt unzählige Webseiten mit Projekten und Hardware
PHY 250 Elektronik -2- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Anwendungen / Projekte
Astronaut Tim Peake mit
- Eine (sehr) kleine Auswahl an Projekten: einem RPi auf der
International Space Station.
- Astro Pi auf der ISS (https://astro-pi.org/) Image Credit: ESA (European
Space Agency)
- Media Center für das Heimnetzwerk
- VPN Zugangspunkt
- Emulieren von alten Spielkonsolen
- Roboter-Steuerung
- Digitale Musikinstrumente
- Spielzeug aller Art
- In Kombination mit einer Kamera, Touch-Display, Sensoren, Aktoren,
etc. sind die Anwendungsmöglichkeiten praktisch unendlich ...
https://www.raspberrypi.org/magpi/
- Google Ergebnisse für “raspberry pi projects”: 1.19 Millionen opencat-robot-cat/
https://hackaday.io/project/16358-pix-e-gif-camera http://www.sudomod.co
https://www.raspberrypi.org/blog/talking-fisher-price-smartphone/
m/mintypi-2-0/
PHY 250 Elektronik -3- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Versionen und Verwandte
Für den Raspberry Pi gibt es bereits viele Versionen:
- Zero, Zero W / WH, 1 Mod. A, 1 Mod. A+, 1 Mod. B, 1 Mod. B+, 2 Mod. B, 2 Mod. B v1.2, 3 Mod. A+, 3
Mod. B, 3 Mod. B+
- Versionen unterscheiden sich durch Prozessor, RAM-Grösse, Features (z.B. WLAN, Schnittstellen,
vorhandene Stecker)
- Alle Versionen haben einen ARM (Advanced RISC Machines) Prozessor; findet sich auch in iPhone,
Android Handys, Tablets, etc. und ist daher günstig
- Hardware Aufbau ist sehr einfach und besteht im Prinzip aus einem SoC (System-on-Chip: CPU, GPU,
Cache, RAM und Schnittstellen befinden sich auf dem gleichen Substrat), also dem Prozessor, und sehr
wenig zusätzliche Peripherie-Elektronik für die Schnittstellen (z.B. Schutzschaltungen)
- Viele Ein-, Ausgänge und Schnittstellen des Prozessors (Pins des SoC) sind über eine Stiftleiste
verfügbar (GPIO = General Purpose Input Output)
- Verwandte/ähnliche Projekte mit kleinerer Community: Arduino, Banana Pi, BeagleBoard, Cubieboard
PHY 250 Elektronik -4- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Begriffe erklärt
Durchlaufzeit (einfacher)
USB
RAM
GPU ROM
GPU Formfaktor und Preis kleiner
CPU ROM Cache
USB RAM
SoC Prozessor
Cache CPU
Kleinere Leistungsaufnahme
System-on-Chip (SoC) System-in-Package (SiP)
- Beim SoC Design werden alle Funktionsblöcke auf einem Substrat integriert
- Beim SiP Design werden die Funktionsblöcke horizontal und vertikal gestapelt und durch Bonddrähte
oder Durchkontaktierungen verbunden
PHY 250 Elektronik -5- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Blockdiagramm
SoC Prozessor
I2C (Inter-Integrated Chip), I2S (Inter-IC Sound), SPI (Serial Peripherial Interface), CEC (Consumer Electronics Control), SD Bus (Secure Digital), UART
(Universal Asynchronous Receiver Transmitter), DSI (Display Serial Interface), HDMI (High Definition Multimedia Interface), CSI (Camera Serial Interface)
PHY 250 Elektronik -6- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Hardware (RPi 3)
SoC (System-on-Chip) USB und LAN
Erweiterte GPIO Pins Controller
Quad Core CPU
4xUSB2
Antennen
WLAN, Bluetooth 4.1
DSI
Display Port
Ethernet
10/100 LAN
Schaltregler
3.5 mm Klinke
Composite Video und Audio Out
Micro USB CSI
HDMI
Spannungsversorgung* Kamera Port
Dimensionen:
* Bei RPi 3 B+ muss die Versorgungsspannung zwingend 5.1V sein! 85.6mm x 56mm x 21mm
PHY 250 Elektronik -7- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
Hardware (RPi 3)
RAM (Random-Access Memory) WLAN und Bluetooth
Kontroller
Micro SD Slot
(Betriebssystem)
Polyfuse
Elektronische
Sicherung
Quarz für CPU Takt (Clock)
PHY 250 Elektronik -8- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
GPIO (General Purpose Input Output)
- Die GPIO-Schnittstelle bietet die Möglichkeit, zusätzliche Hardware an den RPi anzuschliessen
- Modell A und Modell B besitzen 26 Pins, Modell A+ und Modell B+ 40 Pins, jeweils ausgeführt als
doppelreihige Stiftleiste
- Die Pins können als logische Ein- / Ausgänge, Schnittstellen oder Spezialfunktionen konfiguriert werden
- ACHTUNG: Pins sind direkt mit dem Prozessor verbunden!!!!! Also Vorsicht!
- Programmierung ist sehr einfach (in Python)
- Python Shell: sudo python
import RPi.GPIO as GPIO
Achtung: sehr konfuse Pinnummerierung LED1 = 19 # Pinzuweisung fuer LED
SW1 = 6 # Pinzuweisung fuer Taster
- Pysikalische Nummerierung
- GPIO oder BCM Nummerierung GPIO.setmode(GPIO.BCM) # Wahl der verwendeten Nummerierung (hier Broadcom)
- WiringPi Nummerierung
GPIO.setup(LED1, GPIO.OUT) # Pin von LED1 wird als Ausgang definiert
GPIO.setup(SW1, GPIO.IN) # Pin von SW1 wird als Eingang definiert
Beispiel
GPIO.output(LED1,GPIO.LOW) # Setze Ausgang auf 0V (LOW=0=False)
Physikalischer Pin 3:
- Funktionsname ist SDA if GPIO.input(SW1): # Lese Taster-Status ein
GPIO.output(LED1, True)
- Die BCM Nummer ist BCM2 else:
- WiringPI ist Pin 8 GPIO.output(LED1, False)
GPIO.cleanup() # Resetet alle GPIO Einstellung
PHY 250 Elektronik -9- Raspberry Pi Hardware, Mai 2019
GPIO (General Purpose Input Output)
- Achtung: BCM Pins sind nicht durchnummeriert!
Pysikalische Nummerierung
- Pins 27 und 28 (WEISS) sind reserviert
2 40
- Alle GPIO Pins können entweder als Ein- oder
Ausgänge programmiert werden. 1 39
- Als Ausgang: Low = 0V, High = 3.3V
- Als Eingang: Low = 0V, High = 3.3V (Pull-up /
Pull-Down Widerstände sind im Prozessor
integriert und können programmiert werden)
- Spezialfunktionen (nur für gewisse Pins):
- PWM (Pulsweitenmodulation, pulse-width modulation) BCM/GPIO Nummerierung
- Mit Software realisiert: alle GPIO Pins
- Hardware PWM: GPIO 12, 13, 18, 19
- SPI
- SPI0: MOSI (GPIO10); MISO (GPIO9); SCLK (GPIO11); CE0 (GPIO8), CE1 (GPIO7)
- SPI1: MOSI (GPIO20); MISO (GPIO19); SCLK (GPIO21); CE0 (GPIO18); CE1 (GPIO17); CE2 (GPIO16)
- I2C
- Data: (GPIO2); Clock (GPIO3)
- EEPROM Data: (GPIO0); EEPROM Clock (GPIO1)
- Serial
- TX (GPIO14); RX (GPIO15)
PHY 250 Elektronik - 10 - Raspberry Pi Hardware, Mai 2019GPIO HAT
- Über den GPIO können sogenannte HATs, Hardware Attached on Top, angeschlossen werden
- Diese verfügen über einen Speicher (EEPROM), der alle wichtigen Information zu der Hardware
beinhaltet (Herstellerinformationen, Pin-Zuordnung, Beschreibung für automatischen Download
der Treiber, Abmessungen, etc.)
- Beispiele für HATs
- Sieben-Segment Anzeigen
- LEDs
- Schalter und Taster Raspberry Pi ZeroSeg
- Sensoren (Temperatur, Feuchtigkeit, Helligkeit, Druck, etc.)
Raspberry Pi Sense HAT (Astro-Pi)
Raspberry Pi Piano HAT
DC und Schrittmotor HAT
PHY 250 Elektronik - 11 - Raspberry Pi Hardware, Mai 2019Audio
- Das Audiosignal wird direkt vom SoC als Pulsweitenmodulation (PWM) ausgegeben
- Vor der Klinkenbuchse hat es noch einen Tief- und einen Hochpassfilter um das Signal etwas
„aufzuhübschen“ und störende Frequenzen abzuschneiden
- Störungen durch Modulationsfrequenz sind direkt hörbar (bei gutem Gehör ;-)
- Per Software-Einstellung (audio_pwm_mode=2 in /boot/config.txt) wird der Audio-Ausgang als Delta-
Sigma-Wandler emuliert und erlaubt so fast CD-Qualität (Standard bei neueren OS Versionen)
- Besser HDMI-Ausgang benutzen (Audiosignal liegt hier in digitaler Form vor) oder über die I2S-
Schnittstelle an der GPIO Erweiterung (GPIO18-21, PCM). Hier kann eine sehr gute Audioqualität
erreicht werden, es braucht jedoch noch externe Elektronik.
- Einen Audio Eingang hat der RPi nicht (benutze I2S)
SoC Broadcom BCM2837
Digitaler Eingang Bitstream Analoger Ausgang (Klinke)
PWM/ΔΣ- RC-
Modulator Tiefpass
PHY 250 Elektronik - 12 - Raspberry Pi Hardware, Mai 2019Display Port DSI
- Am DSI Display Port kann sowohl ein Display wie auch ein Touch-Display verbunden werden
- z.B. 7“ TFT LCD-Touch-Display mit 800 x 480 Pixel, Preis ca. 70 – 90.-
- Eine weitere Möglichkeit einen Bildschirm anzuschliessen (ohne Touch) ist über den GPIO (z.B. SPI
Schnittstelle)
1.8” TFT LCD-Display verbunden über den SPI Bus
7” TFT LCD-Touch-Display am GPIO
PHY 250 Elektronik - 13 - Raspberry Pi Hardware, Mai 2019Camera Port CSI
- Kameramodule können ebenfalls von Raspberry Pi gekauft werden
- Kamera Modul V2 mit 8 Megapixel:
- Version Pi NoIR (ohne Infrarotfilter)
- Fotos: 3280 x 2464 Pixel
- Video: 1080p30, 720p60 und 640x480p90
- Dimensionen: 25mm x 24mm x 9mm
- Preis ca. 30.-
- Raspberry Zero V1.3 Mini Kamera mit 5 Megapixel:
- Fotos: 2592 x 1944 Pixel
- Video: 1080p30, 720p60 und 640x480p60/90
- Dimensionen: 60mm x 11.5mm x 5mm
- Preis ca. 22.-
- Es sind auch viele Objektive, Halterungen und Beleuchtungen (auch IR) verfügbar
PHY 250 Elektronik - 14 - Raspberry Pi Hardware, Mai 2019Known Issues und Interessantes
- Keiner der RPi enthält eine Echtzeituhr (und auch keine Stützbatterie). Die Uhrzeit wird durch Software
realisiert und ist damit recht ungenau. Die Uhr des RPi muss auch bei jedem Bestromen neu gesetzt
werden. Abhilfe schafft hier die Anbindung über WLAN oder LAN an einen NTP-Server (Network Time
Protocol, Standard zur Synchronisation von Uhren in Computersystemen).
- DACs oder ADCs sind auf keinem der RPi Boards vorhanden (Kostengründen), können aber als HAT
nachgerüstet werden.
- Die Spannungsversorgung muss je nach Modell 5.1V (NICHT 5V) betragen. Sonst wird immer
wieder die Undervoltage detected! Warnung ausgegeben.
- Absturz durch Xenon-Blitz oder helle Laser-Pointer. Ältere RPi Modelle (Sie können auch lesen
