用 Raspberry Pi 學 GPIO - 自己做遊戲機(Pi 5適用)

已更新到最新版本，適合 Pi 5 + Bookworm

用 Raspberry Pi 學 GPIO。
- 由淺入深，從 20 個實驗介紹 “數位/類比 x 輸入/輸出”。
- 硬體包括 Raspberry Pi，GPIO 遊戲機學習套件。
- 支援Pi 5/Pi 4/Pi 3B+/Pi 3B/Pi 2/Pi Zero 系列。

購買GPIO學習套件：
https://www.piepie.com.tw/buy/2557/

範例程式下載：
https://github.com/piepie-tw/gpio-game-console

Transcript

1. 1 Raspberry Pi 遊戲機工作坊 - 從 GPIO 開始和世界連接 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw>
2. 姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享 CC (Creative Commons) 姓名標示 — 你必須給予 適當表彰、提供指向本授權 條款的連結，以及 指出（本作品的原始版本）是否已 被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以 任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。 非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使 用。 相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本 素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來 散布你的貢獻物。
3. 3 • Raspberry Pi 官方經銷商 • 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 關於我們
4. 4 • COSCUP,MakerConf,PyCon,HKOSCon 講者 • 投影片 • https://speakerdeck.com/piepie_tw • 程式碼 • https://github.com/piepie-tw 分享 x 教學
6. 6 • ☑ Raspberry Pi 5B • ☑ Raspberry Pi Zero 2W • ☑ Raspberry Pi 4B • ☑ Raspberry Pi 3B+ • ☑ Raspberry Pi 3A+ • ☑ Raspberry Pi Zero W • ☑ Raspberry Pi 3B • ☑ Raspberry Pi 2B • ☑ Raspberry Pi B+ • ☑ Raspberry Pi Model B 本教學適合
7. 7 • Raspberry Pi GPIO 介紹 • 環境設定 • 輸入 / 輸出 • 數位 / 類比 • 練習與實做 本次主題
8. 8 • 了解電子電路原理 • 學習如何根據規格撰寫控制程式 • 親手完成遊戲機 目標
9. 9 • 硬體:Raspberry Pi 5B • 作業系統:2024-03-15-raspios-bookworm-armhf.img • 系統下載：https://reurl.cc/ezVAWL • 為了可以使用USB轉TTL傳輸線 • 修改/boot/config.txt,新增三行 – dtoverlay=pi3-miniuart-bt – core_freq=250 – enable_uart=1 • 修改/boot/cmdline.txt,將quiet splash的quiet移除 今日環境 新增三行 刪除 quiet
10. 10 • $ sudo apt-get update • $ sudo apt-get remove -y python3-rpi.gpio • $ sudo apt-get install -y python3-dev python3-pip libsdl1.2-dev vim • $ sudo apt-get install -y python3-evdev python3-libevdev python3-rpi-lgpio python3-spidev • $ sudo apt-get install -y x11vnc 安裝今日所需套件
11. 11 Raspberry Pi GPIO 介紹
12. 12 • General Purpose Input Output • GPIO 是一種可用軟體控制的數位訊號 什麼是 GPIO ？ http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet
13. 13 • 決定是輸入還是輸出 • 輸出：寫值到某根腳位 • 輸入：從某根腳位讀值 • 等待中斷 (interrupt) 的發生 • 決定是正緣觸發還是負緣觸發 用軟體控制什麼 ?
14. 14 GPIO 腳位在哪裡？ http://www.raspberrypi-spy.co.uk/ Pin1 Pin2 Pin25 Pin26 Pin3 Pin4 Z Z 字型的腳位編號
15. 15 • GPIO 高電位輸出為 3.3V • GPIO 容忍輸入電位為 3.3V • 單一 Pin 輸出電流為 3mA-16mA • 全部 Pin 輸出總和小於 50mA • GPIO 輸入低電位為小於 0.8V, 高電位為大於 1.3V 幾個 GPIO 的數字 https://www.scribd.com/doc/101830961/GPIO-Pads-Control2
16. 16 • C • C + wiringPi • C# • Ruby • Perl • Python • Scratch • Java Pi4J Library • Shell script 如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ?
17. 17 • Python + RPi.GPIO = 70 kHz • C + BCM 2835 = 5.4 MHz • Ruby + wiringpi bindings = 21 kHz GPIO Benchmark http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet
18. 18 Python + GPIO
19. 19 • 變數 , 物件 , 型別 , 註解 • 模組 • 縮排 • 迴圈 • 條件判斷 • 函式 Python3 五分鐘速成
20. 20 • 動態型別 (dynamic typing) # 這是註解 i = 3 # 變數 i 指到數字物件 3 i = [1, 2, 3, 4, 5] # 變數 i 指到串列物件 print(i[2]) # 印出串列中第三個元素 i = "abcde" # 變數 i 指到字串物件 print(i[2]) # 印出字串中第三個元素 變數 , 物件 , 型別 , 註解
21. 21 # import MODULE import RPi.GPIO # import MODULE as ALIAS import RPi.GPIO as GPIO 模組
22. 22 • 用縮排取代大括號 • 程式碼的區塊是用縮排分隔 • 不使用 tab, 使用空白鍵 • 常見縮排為 4 個空白鍵 縮排
23. 23 • 自動迭代 (iterator) for i in range(start, stop[, step]): process for i in range(0, 11, 5): print(iU+0029 迴圈
24. 24 if condition_1: process_1 elif condition_2: process_2 else: process_3 process_4 條件判斷
25. 25 def function_name(): process def function_name(param_name): process def function_name(param_name = 3): process 函式
26. 26 • 1. 存成檔案以後 , 用 python 執行 • $ nano test.py • $ python3 test.py • 2. 進到互動模式 , 可直接看輸出結果 • $ python3 • Python 3.11.2 (main, Mar 13 2023, 12:18:29) [GCC 12.2.0] on linux • Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. • >>> 兩種執行 Python 的方法
27. 27 電子入門套件 • 紅/ 黃/ 綠LED x2 • 1/4W 電阻,1Kx5,2Kx5 • 830 洞大型麵包板 x1 • 按鍵 x4 • 蜂鳴器 x2 • 人體紅外線感測器(PIR) x1 • 傾斜開關 x1 • MCP3008 ADC IC x1 • 光敏電阻 x1 • XY 搖桿 x1 • HC-SR04 超音波距離感測器 • 10K 可變電阻 • 20pin 公對公 / 公對母/ 母對母排線 x1
28. 28 本套件相容於全系列 Raspberry Pi 購買 : https://www.piepie.com.tw/buy/2557/
29. 29 數位輸出
30. 30 實驗 1: 硬體的 Hello World 目的 : 從硬體到軟體的思維
31. 31 • 發光二極體 • 單向導通 • 省電 LED http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/5mm_Red_LED.jpg 長腳接正極 Vcc 短腳接負極 GND
32. 32 • 電路組成元件 : 電源、導線、負載 • 閉路 : 當三者形成一完整路徑 , 有電流經過電路 • 歐姆定律 : 導體兩端的電壓與通過的電流成正比 • V = I x R 電路一分鐘速成 I I V R V R I https://zh.wikipedia.org/wiki/ 电路
33. 33 Raspberry Pi + LED 直接插入嗎 ? 先看看規格吧
34. 34 • V F : 順向電壓 • I F : 在順向電壓下的安全電流 LED 的特性 https://learn.adafruit.com/all-about-leds/forward-voltage-and-kvl
35. 35 • 在順向電壓下一般的 LED 能承受的安全電流是 20mA • 由於順向電壓 (Typical) 為 1.85V • Raspberry Pi 的 GPIO 腳位能提供 3.3V • 計算公式：電阻 = 電壓 / 電流 R =V/I R =(3.3-1.85)/0.02=72.5 歐姆 • 表示最小要接 72.5 歐姆的電阻 , 才能避免 LED 燒毀 如何解讀？
36. 36 電阻阻值計算 www.digikey.tw/tw/zht/mkt/5-band-resistors.html 四環：右側為金或銀 五環：前四環很靠近 1K= 棕黑黑棕 ( 棕 ) 2K= 紅黑黑棕 ( 棕 )
37. 37 要接哪一個腳位？
38. 38 要接哪一個腳位？ 目標 : 一隻腳接地 , 一隻腳給電
39. 39 線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
40. 40 線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
41. 41 麵包板的種類 https://goo.gl/JipVgH
42. 麵包板的使用 https://www.slideshare.net/eoinbrazil/imediaarduino08
43. 43 使用麵包板方便多了 1k 電阻 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
44. 44 • 試試看這樣接 不會亮嗎？ 因為你沒寫程式阿
45. 45 各腳位的意義 https://goo.gl/f2rPpN
46. 46 開始用 Python 控制 GPIO 吧
47. 47 • 載入模組 (Import module) • 選擇編號系統 (Define pin numbering) • 定義腳位 (Setup up a channel) • 讀取輸入 / 寫入輸出 (Input/Output) • 清理 (Cleanup) Python Code 基本流程 http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/wiki/BasicUsage
48. 48 #!/usr/bin/python3 • import RPi.GPIO as GPIO # Import module import time GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # Define pin numbering LED_PIN = 12 GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) # Setup up a channel print("LED is on") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) # Input/Output status time.sleep(3) GPIO.cleanup() # Cleanup 一個實際的範例 以下都是使用別名 (alias)
49. 49 DEMO led_on.py $ python3 led_on.py
50. 50 使用 :nano < 檔名 , 例如 led_on.py> 離開 :Ctrl + x > 令存新檔 :y > 不存離開 :n > 離開 :Ctrl + c nano 編輯器使用
51. 51 $ cd ~ $ git clone https://github.com/piepie-tw/gpio-game-console $ cd ~/gpio-game-console $ cd 01-led_on $ python3 led_on.py 讀寫 GPIO 會存取 /dev/mem, 需 root 權限 (2015-09-24 以後的 image 可以用一般使用者身份執行 ) 執行方式
52. 52 • Wiki • http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio- python/wiki/Home/ • Code • http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio- python/code/ci/default/tree/ • Reference detail • http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals • http://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs • http://www.raspberrypi.org/wp- content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf 更多 RPi.GPIO 的使用方法
53. 53 實驗 2: 控制 LED 閃爍 目的 : 熟悉 Python 語法
54. 54 一樣的線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻
55. 55 GPIO.setmode(GPIO.BOARD) LED_PIN = 12 GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) while True: print("LED is on") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(1) print("LED is off") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(1) GPIO.cleanup() 永不停止的 while 迴圈 - 按 Ctrl+c 跳出迴圈
56. 56 DEMO led_blink_warning.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 02_1-led_blink_warning $ python3 led_blink_warning.py
57. 57 RuntimeWarning: This channel is already in use, continuing anyway. Use GPIO.setwarnings(False) to disable warnings.
58. 58 為什麼出現 Warning ?
59. 59 • 在正常情況下執行完畢結束 • 遇到錯誤跳出 • 受到中斷停止 ( 收到終止訊號 , 例如 Ctrl+c) 程式何時會結束 ?
60. 60 try: while True: print "LED is on" GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(1) print("LED is off") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(1) except KeyboardInterrupt: print("Exception: KeyboardInterrupt") finally: GPIO.cleanup() 接住例外
61. 61 DEMO led_blink.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 02_2-led_blink $ python3 led_blink.py
62. 62 實驗 3: 用 LED 做交通號誌 目的 : 結構化程式設計
63. 63 • 紅 , 黃 , 綠燈依序亮燈 • 紅燈亮 4 秒 , 黃燈亮 2 秒 , 綠燈亮 4 秒 設計一個紅綠燈 http://www.clipartbest.com/traffic-light-photo
64. 64 線路圖
65. 65 DEMO traffic_light_nonstructure.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 03_1-traffic_light_nonstructure $ python3 traffic_light_nonstructure.py
66. 66 def TrafficLight(pin, duration): GPIO.output(pin, GPIO.HIGH) time.sleep(duration) GPIO.output(pin, GPIO.LOW) try : while True: TrafficLight(RED_PIN, 4); TrafficLight(YEL_PIN, 2); TrafficLight(GRN_PIN, 4); finally: GPIO.cleanup() 把亮燈拿到外面
67. 67 DEMO traffic_light.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 03_2-traffic_light $ python3 traffic_light.py
68. 68 數位輸入
69. 69 實驗 4: 讀取按鍵輸入 目的 : 了解硬體和軟體的差異
70. 70 • 開關：按鍵式 , 滑動式 , 傾斜式 ... 按鍵 Button / 開關 Switch http://nicegear.co.nz/
71. 71 • 常開 (normally open, N.O.) • 常閉 (normally close, N.C.) 按鍵 Button / 開關 Switch http://www.engineersgarage.com/sites/default/files/imagecache/Original/wysiwyg_imageupload/4214/Switch-2_0.jpg
72. 72 按鍵的內部結構 http://www.ladyada.net/learn/arduino/lesson5.html • 按下前 • 長邊相連 (1&2,3&4) • 短邊不相連 • 按下後 • 四點都通 1 2 3 4
73. 73 簡單的按鍵接法 BUTTON RPi 腳 1 Pin6 (Ground) 腳 3 Pin11 (GPIO17)
74. 74 • Input 空接會讀到雜訊 問題在哪裡？ 按鍵按下前未導通 , 讀到？？ 按鍵按下後 , 讀到低電位
75. 75 更好的按鍵接法 ( 上拉電阻 ) http://geekgurldiaries.blogspot.tw/2012/12/part-2.html
76. 76 線路圖 BUTTON RPi 腳 1 Pin6 (Ground) 腳 3 Pin11 (GPIO17) Pin1 (3.3V) 1k 電阻
77. 77 BTN_PIN = 11 GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN) previousStatus = None try: while True: input = GPIO.input(BTN_PIN) if input == GPIO.LOW and previousStatus == GPIO.HIGH: print("Button pressed") previousStatus = input except KeyboardInterrupt: print("Exception: KeyboardInterrupt") finally: GPIO.cleanup() 判斷條件 : 這次低 && 上次高
78. 78 DEMO push_button_poll.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_1-push_button_poll $ python3 push_button_poll.py
79. 79 按一次出現兩次？這樣子對不對啊？
80. 80 • 機械式開關在切換過程中會有訊號彈跳現象 ( 雜訊 ) 開關訊號的彈跳問題 (bounce) http://120.101.72.1/Onechip/PPT/ 實習單元三 .ppt 理想訊號輸出 實際輸出訊號
81. 81 • 硬體方法 : 以 RC 電路或正回授的比較器電路解決 • 軟體方法 : 調整觸發的延遲時間 • 不同的按鍵會有不同的延遲時間 解決彈跳問題 (de-bounce) 10ms - 20ms
82. 82 GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN) previousStatus = None previousTime = time.time() currentTime = None try: while True: input = GPIO.input(BTN_PIN) currentTime = time.time() if input == GPIO.LOW and \ previousStatus == GPIO.HIGH and \ (currentTime - previousTime) > 0.2: previousTime = currentTime print("Button pressed”) previousStatus = input 不反應在延遲時間內的觸發
83. 83 DEMO push_button_debounce.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_2-push_button_debounce $ python3 push_button_debounce.py
84. 84 • 先以背景方式執行單一程式 ( 加上 &) • $ python3 push_button_debounce.py & 如何看系統效能？ PID
85. 85 • 先以背景方式執行單一程式 ( 加上 &) • $ python3 push_button_debounce.py & • 再看整體系統使用狀況 ( 可以按 q 離開 ) • $ top -c 如何看系統效能？ PID
86. 86 在 top 指令中止程序 ( 按 k) 輸入要中止的程序 PID 輸入 KILL 訊號 9 中止程序
87. 87 低 CPU 使用率 ( 按 q 離開 )
88. 88 • 輪詢 (polling) • SoC 每隔一段時間檢查週邊硬體的資料 • 中斷 (interrupt) • 當週邊硬體的狀態改變時 , 對 SoC 發出中斷要求 輪詢與中斷
89. 89 • 建立回呼函數 • def mycallback() • 綁定事件和回呼函數 • add_event_detect(gpio, # 對象 edge, # 觸發條件 callback,# 回呼函數 bouncetime) • 多個事件可以綁定同樣的回呼函數 中斷的程式寫法 source/py_gpio.c
90. 90 BTN_PIN = 11 GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN) def mycallback(channel): print("Button pressed") try: GPIO.add_event_detect(BTN_PIN, \ GPIO.FALLING, \ callback=mycallback, \ bouncetime=200) while True: time.sleep(10) finally: GPIO.cleanup() 即使在 sleep 狀態下也可立即回應
91. 91 DEMO push_button_interrupt.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_3-push_button_interrupt $ python3 push_button_interrupt.py
92. 92 觀察使用中斷的寫法 CPU 使用率
93. 93 使用中斷 , 低 CPU 使用率 ( 按 q 離開 )
94. 94 • 需要硬體或軟體 ( 作業系統 ) 的支援 • RPi.GPIO 在版本 0.5.0a 有了中斷功能 • 加上 add_event_detect() 等機制 • RPi.GPIO 以建立多執行緒方式實現中斷 • 程式開始執行時 , 主執行序運行 • 當加入事件後 , 以 epoll_create 建立新的 fd • 當事件觸發時 , 第二個執行序和主執行序溝通 ( 回呼 ) • 程式碼可參考 source/event_gpio.c 中斷的意義 source/py_gpio.c
95. 95 簡單的按鍵接法沒有錯 , 但是 ... BUTTON RPi 腳 1 Pin6 (Ground) 腳 3 Pin11 (GPIO17)
96. 96 GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) def mycallback(channel): print("Button pressed") try: GPIO.add_event_detect(BTN_PIN, \ GPIO.FALLING, \ callback=mycallback, \ bouncetime=WAIT_TIME) while True: time.sleep(10) finally: GPIO.cleanup() 要搭配內建的上拉電阻 (50k)
97. 97 DEMO push_button_internal_pull_up.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_4-push_button_internal_pull_up $ python3 push_button_internal_pull_up.py
98. 98 實驗 5: 傾斜開關 目的 : 認識不同的硬體
99. 99 傾斜開關 Tilt Switch
100. 100 線路圖 SWITCH RPi 第一腳 (RED) Pin11 (GPIO17) 第二腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
101. 101 GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) def mycallback(channel): print("Button pressed") try: GPIO.add_event_detect(BTN_PIN, \ GPIO.FALLING, \ callback=mycallback, \ bouncetime=WAIT_TIME) while True: time.sleep(10) finally: GPIO.cleanup() 要搭配內建的上拉電阻 (50k)
102. 102 DEMO tilt_switch.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 05-tilt_switch $ python3 tilt_switch.py 使用內建的上拉電阻
103. 103 實驗 6: 蜂鳴器樂器 目的 : 聲音輸出
104. 104 • 發聲原理 : 聲音是由振動產生 , 其頻率稱為音頻 • 蜂鳴器發聲原理 : 電流 (6) 通過電磁線圈 (3) 產生 磁場來驅動振動膜 (11) • 人耳可聽到 20Hz - 20KHz 原理 http://www.itianer.com/diancishifengmingqigouzaoyuyuanlijieshao.html
105. 105 • 自激 ( 有源 ): 只能發出同頻率的聲音 • 黑膠封裝 , 高低腳 • 他激 ( 無源 ): 需從外部輸入震盪方波發聲 • 綠色電路板 , 兩腳同長 • 腳位有正負之分 ( 看底板 ) 蜂鳴器 Buzzer http://www.buzzer-speaker.com/manufacturer/piezo%20buzzer.htm 自激式 他激式
106. 106 線路圖 BUZZER RPi +(RED) Pin12 (GPIO18) - (BLACK) Pin6 (Ground)
107. 107 def buzz(pitch, duration) : period = 1.0 / pitch half_period = period / 2 cycles = int(duration * pitch) for i in range(cycles) : GPIO.output(buzzer_pin, GPIO.HIGH) time.sleep(half_period) GPIO.output(buzzer_pin, GPIO.LOW) time.sleep(half_period) while True : pitch_s = input("Enter Pitch (200 to 2000): ") duration_s = input("Enter Duration (seconde): ") buzz(float(pitch_s), float(duration_s)) 可發出不同頻率聲音
108. 108 DEMO buzzer.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 06_1-buzzer $ python3 buzzer.py
109. 109 • • 標準 88 鍵鋼琴 , 每個音的頻率 : • 每段音階分為 12 個半音 • 每個音的頻率是前一個的 1.05946 倍 ( ) 鋼琴模擬 1 2 3 4 5 6 7 0 8 http://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies 12 2
110. 110 • 標準 88 鍵鋼琴 , 以第 49 鍵 A4 為基準 (440Hz) • 各半音頻率如下： • C5 (52th, DO): 523Hz • D5 (54th, RE): 587Hz • E5 (56th, ME): 659Hz • F5 (57th, FA): 698Hz • G5 (59th, SO): 784Hz • A5 (61th, LA): 880Hz • B5 (63th, SI): 988Hz 鋼琴頻率 http://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies
111. 111 線路圖 RPi Pin7 Buzzer Pin11 Do Pin12 Re Pin13 Me Pin15 Fa Pin16 So Pin18 La Pin22 Si
112. 112 DEMO paino_buzzer.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 06_2-paino_buzzer $ python3 paino_buzzer.py
113. 113 實驗 7: 人體紅外線感測器 目的 : 常見感測器使用
114. 114 Pyroelectric ("Passive") InfraRed Sensor PIR 人體紅外線感測器 http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2013/01/cheap-pir-sensors-and-the-raspberry-pi-part-1/
115. 115 使用示意圖 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
116. 116 應用範例 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html http://totherails.blogspot.tw/2011/09/halloween-preparations.html
117. 117 元件說明 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
118. 118 • 輸入電壓 :DC 3.3V - 24V • 輸出電壓 :3.3V( 可直接接上 Raspberry Pi) • 延遲時間 (Tx):2.45 秒 – 248 秒 • 感應之後輸出維持的時間 • 封鎖時間 (Ti):2.4 秒 • 感應輸出結束之後 , 再次觸發必須等待的時間 • 感應角度 :110 度 x 70 度 • 感應距離 :3 米 - 7 米 瞭解規格
119. 119 • 感測距離設定 • 順時針 : 最高為 7 米 • 逆時針 : 最小為 3 米 • 延遲時間設定 (Tx) • 順時針 : 最長為 248 秒 • 逆時針 : 最短為 2.45 秒 • 實際可調整時間要看 R10,C6,R9,C7 而定 感測距離 / 延遲時間設定 感測距離設定 延遲時間設定
120. 120 • 可重複觸發模式 (H) • 不可重複觸發模式 (L) 觸發模式 H: 可重複觸發 L: 不可重複觸發 ( 預設 ) 感應 & 輸出 感應 & 等待 & 輸出
121. 121 線路圖 Pin26
122. 122 PIR_PIN = 26 GPIO.setup(PIR_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) def mycallback(channel): print("Motion detected") try: GPIO.add_event_detect(PIR_PIN, GPIO.RISING, \ callback=mycallback, \ bouncetime=200) while True: time.sleep(1) finally: GPIO.cleanup() 再一次使用 interrupt 模式
123. 123 DEMO pir.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 07_1-pir $ python3 pir.py 觸發才拉高電位 , 因此用內建的下拉電阻
124. 124 加上警示的 LED 燈吧
125. 125 線路圖 1k 電阻 Pin26
126. 126 DEMO people_alarm_system.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 07_2-people_alarm_system $ python3 people_alarm_system.py
127. 127 LED_PIN = 12 PIR_PIN = 26 GPIO.setup(PIR_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) def mycallback(channel): print("Motion detected") for i in range(3) : GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(0.5) GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(0.5) try: GPIO.add_event_detect(PIR_PIN, GPIO.RISING, callback=mycallback, bouncetime=200) while True: time.sleep(1) 偵測到人 , 燈閃 3 次
128. 128 實驗 8: 超音波距離感測器 目的 : 根據規格撰寫程式
129. 129 • 聲音在 20°C (68°F) 的速度是 343 公尺 / 秒 • 溫度每增加 1°, 速度增加 0.6 公尺 / 秒 測距離原理 http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi
130. 130 • 內建發射 (40kHz) 與接收電路 • 根據發射與接收的時間差計算距離 • 特殊功能 :US-020( 長距離 ) 、 US-100( 溫度補償 ) HC-SR04 超音波距離感測器 http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html
131. 131 • 避障 , 測距 • 物體移動感測 • 地鐵感測器 應用 http://letsmakerobots.com/robot/project/rock-crawler https://www.dropbox.com/s/x0qdaq86rkc0zyv/MakerConf.pdf
132. 132 地鐵感測器 http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/
133. 133 地鐵感測器 http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/
134. 134 • 規格與時序圖 HC-SR04 http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html 建議測量間隔 >60ms
135. 135 • TRIG 腳位收到高電位 (3.3V) 後發送超聲波 • ECHO 腳位維持低電位 (0V), 收到回應後拉到高電位 (5V) • Raspberry Pi 腳位的容忍電位為 3.3V => 將 ECHO 腳位的 5V 降壓為 3.3V 左右 分壓電路計算 https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi => R1=1K, R2 取 2K
136. 136 注意 1K, 2K 電阻 ULTRASONIC RPi Vcc(RED) Pin2 (5V) Trig(YELLOW) Pin16 (GPIO23) Echo(PURPLE) Pin18 (GPIO24) Grnd(BLACK) Pin6 (Ground) 1k: 棕黑黑棕 2k: 紅黑黑棕 Vcc Gnd Echo Trig 這是背面
137. 137 v = 343 # (331 + 0.6*20) def measure() : GPIO.output(TRIGGER_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(0.00001) # 10uS GPIO.output(TRIGGER_PIN, GPIO.LOW) pulse_start = None pulse_end = None while GPIO.input(ECHO_PIN) == GPIO.LOW: pulse_start = time.time() while GPIO.input(ECHO_PIN) == GPIO.HIGH: pulse_end = time.time() t = pulse_end - pulse_start d = t * v d = d/2 return d*100 測量距離
138. 138 DEMO hc_sr04_measure_distance.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 08-hc_sr04_measure_distance $ python3 hc_sr04_measure_distance.py
139. 139 看看準不準？
140. 140 實驗 9: 呼吸燈 目的 : 瞭解訊號模擬
141. 141 • 數位 :0 與 1 的訊號 • 類比 : 連續的訊號 數位與類比 http://www.bitscope.com/software/blog/DJ/?p=DJ19A
142. 142 • 數位 : 亮和不亮 • 類比 : 亮 , 有點亮 , 有點不亮 ..., 不亮 • 可是 GPIO 腳位輸出都是固定值 , 怎麼辦？ 從 LED 的角度來看
143. 143 • 旋轉式 , 滑動式 • 線性關係 (B 型 ), 對數關係 (A 型 ) • 常見規格 :0 -10k Ohm( 線性 ) 可變電阻 Potentiometer(VR) https://en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer 接高電位 接低電位 滑動接點 ( 可變輸出 )
144. 144 利用可變電阻改變 LED 亮度
145. 145 有不使用額外硬體的方法嗎？
146. 146 • 是將數位信號轉為脈波的一種技術 • 頻率不變 + 改變工作週期 , 使整體平均電壓值改變 • 改變工作週期 (duty cycle)= 改變平均電壓 脈寬調變 (Pulse-Width Modulation) http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/PWM
147. 147 • 輸出總功率 = 脈衝寬度 ( 時間 )x 高電位值 公式計算 http://www.protostack.com/blog/2011/06/atmega168a-pulse-width-modulation-pwm/
148. 148 • To create a PWM instance: • p = GPIO.PWM(channel, frequency) • To start PWM: • p.start(dc) # dc is the duty cycle • To change the duty cycle: • p.ChangeDutyCycle(dc) # where 0.0 <= dc <= 100.0 • To stop PWM: • p.stop() GPIO.PWM() http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/PWM/
149. 149 線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻
150. 150 LED_PIN = 12 • GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) pwm_led = GPIO.PWM(LED_PIN, 100) • pwm_led.start(0) • • try: • while True: • duty_s = input("Enter Brightness (0 to 100):") • duty = int(duty_s) • • if duty >= 0 and duty <=100 : • pwm_led.ChangeDutyCycle(duty) • • except KeyboardInterrupt: • pwm_led.stop() • GPIO.cleanup() 互動式的調光
151. 151 DEMO adjust_led_bright.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 09_1-adjust_led_bright $ python3 adjust_led_bright.py
152. 152 LED_PIN = 12 GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) pwm_led = GPIO.PWM(LED_PIN, 100) pwm_led.start(0) while True: for dc in range(0, 101, 5): pwm_led.ChangeDutyCycle(dc) time.sleep(0.1) time.sleep(0.5) for dc in range(100, -1, -5): pwm_led.ChangeDutyCycle(dc) time.sleep(0.1) time.sleep(0.5) 呼吸燈就是漸明漸亮
153. 153 DEMO pwm_led.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 09_2-pwm_led $ python3 pwm_led.py
154. 154 • 兩者差異 • Software PWM 是透過 kernel 做 duty cycle 的調整 • Hardware PWM 是 SoC 透過 DMA 做調整 • 使用時機 • 不需要精準時用 Software PWM, 例如 LED 調光 • 需要低延遲時用 Hardware PWM, 例如伺服馬達 • Hardware PWM GPIO 只有 GPIO12(Pin32), GPIO13(Pin33), GPIO18(Pin12), GPIO19(Pin35) • 目前已經內建 pigpio 提供 Hardware PWM 函式呼叫 Software PWM vs. Hardware PWM
155. 155 實驗 10: 光敏電阻 目的 : 類比訊號的讀取
156. 156 • 硫化鎘 (CdS) 或光敏電阻器 (LDR), 阻抗隨光落 在表面的總量而轉變 • 光越強阻值越小 , 反之光越弱阻值則越大 • 應用 : 光控開關 , 電子玩具 , 工業控制 光敏電阻 http://www2.nkfust.edu.tw/~jlkuo2/31/a6.htm
157. 157 • Raspberry Pi 沒有硬體的類比數位轉換器 (ADC) 類比訊號轉換為數位訊號 http://www.planetoftunes.com/digital-audio/how-do-analogue-to-digital-converters-work.html IN ADC OUT 此 ADC 的解析度為 4bits 從 0000 到 1111( 看 Y 軸 )
158. 158 • 類比數位轉換器 (Analog to Digital Converter) • 8 通道 ,10 bits 解析度 • SPI 協議 利用 MCP3008
159. 159 • 主從式架構 , 可一對多 • 四線同步序列資料協定 • SS: 週邊選擇線 (CE) • SCK: 序列時脈線 (SCLK) • MOSI: 主往從送 • MISO: 從往主送 Serial Peripheral Interface(SPI) https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus SPI Master SCLK MOSI MISO SS1 SS2 SS3 SPI Slave SCLK MOSI MISO SS SPI Slave SCLK MOSI MISO SS SPI Slave SCLK MOSI MISO SS
160. 160 • $ sudo raspi-config 啟用 Raspberry Pi 的 SPI
161. 161 • $ sudo raspi-config 啟用 Raspberry Pi 的 SPI
162. 162 • $ sudo raspi-config 啟用 Raspberry Pi 的 SPI
163. 163 • 測試確認 SPI 模組已載入 • $ ls /dev/spidev* • 安裝必要套件 ( 如果前面已裝過 , 就不需再裝 ) • $ sudo apt-get update • $ sudo apt-get install python3-spidev SPI 使用前的確認
164. 164 線路圖 MCP3008 RPi CLK Pin23 (SCLK) Din Pin19 (MOSI) Dout Pin21 (MISO) CS Pin24 (CE0) 缺口朝左 1k 電阻
165. 165 • SPI 會用到的腳位是 MOSI,MISO,SCLK 和 CE0/CE1 再看一次腳位定義
166. 166 spi = spidev.SpiDev() spi.open(0,0) # (0,0)表示接到CE0腳位,對應到/dev/spidev0.0裝置檔 spi.max_speed_hz = 1800000 # 10kHz to 3.6 MHz • • def ReadChannel(channel): adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0]) data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2] return data def ConvertVolts(data,places): volts = (data * 3.3) / float(1023) volts = round(volts,places) return volts light_channel = 0 delay = 1 while True: light_level = ReadChannel(light_channel) light_volts = ConvertVolts(light_level, 2) print("Light:{} ({}V)".format(light_level,light_volts)) time.sleep(delay)
167. 167 程式要照硬體規格撰寫
168. 168 • input 一次送三個bytes • # byte 1: the start bit (always 0x01) • # byte 2: configure bits • # byte 3: don't care • spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0]) • Ch0 = 1000 0000 • Ch1 = 1001 0000 了解 spi.xfer2() 的意義 0x01 don't care Ch0/Ch1
169. 169 http://wolfpaulus.com/
170. 170 http://wolfpaulus.com/ Output 也是一次回傳三個 bytes 因為是 10bits 解析度 , 所以我們只取最後有用的 10bits
171. 171 DEMO photoresistor.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 10-photoresistor $ python3 photoresistor.py
172. 172 再透過分壓電路回推光敏電阻阻值 光越強，電壓值越低
173. 173 實驗 13: 模擬器 目的 : 系統整合
174. 174 遊戲機 = 硬體 + 遊戲 http://www.emulatorworld.com/
175. 175 • 模擬不同的硬體架構 • 常見的模擬器： • MAME (AdvanceMAME) • Nintendo Entertainment System (RetroArch) • Super Nintendo Entertainment System (PiSNES) • PC / x86 (rpix86) Video Game System Emulators https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_video_game_emulators
176. 176 • 模擬大台電動玩具 MAME(Multiple Arcade Machine Emulator) http://www.williamsamusements.co.uk/mame.html
177. 177 • RFB 協定 + 螢幕畫面分享及遠端操作軟體 • 與作業系統無關 , 可跨平台使用 • Client/Server 架構 用 Virtual Network Computing 看畫面 Raspberry Pi 當 VNC Server Laptop/PC 當 VNC client
178. 178 使用 X11VNC
179. 179 使用 X11VNC
180. 180 • 下載 RealVNC Viewer https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer X11VNC Client 安裝 port 和 X11VNC 相同
182. 182 • 下載編譯好的binary(已下載) • $ cd ~ • $ wget http://bit.ly/2OnUMwh -O ~/advmame • $ chmod 755 advmame • $ ./advmame • 2.下載ROM(已下載) • $ cd ~ • $ wget http://bit.ly/2K1dhUb -O ~/.advance/rom/suprmrio.zip • 3. 執行模擬器(還沒做) • $ cd ~ • $ ./advmame suprmrio 在 VNC 下執行 AdvanceMAME 大寫的英文 " 歐 "
183. 183 • 搜尋 MAME • http://www.emuparadise.me/ • 中英文對照 • http://bbs.duowan.com/thread-41350071-1-1.html • 經典遊戲 • 超級瑪莉歐 • 彈珠台 • 小精靈 • 坦克大作戰 , 泡泡龍 ... 下載 ROM 放到對應的目錄下 http://en.wikipedia.org/wiki/Nintendo_Entertainment_System
184. 184 • $ cd ~ • $ ./advmame suprmrio • 按 'o' 'k' 進入畫面 • 按 '5' 投錢 • 按 '1' 開始 • 左邊 'ctrl' 是加速 • 左邊 'alt' 是跳 • 按 'esc' 是離開 使用模擬器
185. 185 • 執行模擬器 , 使用 keyboard 控制 • 讀取 GPIO 搖桿的值 • 讓 GPIO 搖桿和 keyboard 對應 • 開機就啟動按鍵與 keyboard 對應程式 • 開機就啟動模擬器 遊戲機製作步驟 http://www.linuxuser.co.uk/tutorials/emulate-a-bluetooth-keyboard-with-the-raspberry-pi
186. 186 搖桿 (joystick)
187. 187 • 3.3V-5V 工作電壓 • 輸出形式： • x,y 軸 - 類比輸出 • z 軸 - 數位輸出 XY 雙軸搖桿 http://www.aliexpress.com/cheap/cheap-arduino-joystick.html
188. 188 http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2014/04/using-a-joystick-on-the-raspberry-pi-using-an-mcp3008/ +5V MS VRY VRX GND
189. 189 spi = spidev.SpiDev() • spi.open(0,0) • spi.max_speed_hz = 1800000 • • def ReadChannel(channel): • adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0]) • data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2] • return data • • vrx_channel = 1 • vry_channel = 2 • • while True: • vrx_pos = ReadChannel(vrx_channel) • vry_pos = ReadChannel(vry_channel) • • print("X : {} Y : {} ".format(vrx_pos,vry_pos)) • • time.sleep(0.5)
190. 190 DEMO mcp3008_joystick $ cd ~/gpio-game-console $ cd 11_1-mcp3008_joystick $ python3 mcp3008_joystick.py
191. 191 觀察結果
192. 192 搖桿如何和 keyboard 對應？
193. 193 Linux 輸入與輸出的處理流程 https://en.wikipedia.org/wiki/Evdev
194. 194 Linux Input Subsystem http://www.linuxjournal.com/article/6396
195. 195 • USB 或 PS2 keyboard 都是同一個 handler 處理 • 我們可以加上 GPIO 的 driver, 讓 keyboard handler 來接？ Linux Input Subsystem http://www.linuxjournal.com/article/6396 USB Keyboard PS2 Keyboard
196. 196 除了在 kernel space 做以外 , 可以在 user space 做嗎？
197. 197 • evdev(event device) • 是 linux kenel 的通用輸入事件介面 , 可從 driver 產生 原始的 input event, 並透過 /dev/input/ 發送事件 • python3-evdev • 和 evdev 的 user space 實做 uinput 綁定 , 提供 python 介面的呼叫來發送 input event • 安裝 ( 如果前面已裝過 , 就不需再裝 ) • $ sudo apt-get install -y python3-evdev python3-libevdev python3-evdev https://pypi.python.org/pypi/evdev
198. 198 python-evdev keyboard example from evdev import UInput, ecodes as e ui = UInput() ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_H, 1) # KEY_H down ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_H, 0) # KEY_H up ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_E, 1) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_E, 0) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_L, 1) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_L, 0) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_L, 1) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_L, 0) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_O, 1) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_O, 0) ui.syn() • ui.close()
199. 199 DEMO evdev_keyboard.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 11_2-evdev_keyboard $ sudo python3 evdev_keyboard.py 需要有 root 權限才能發送鍵盤事件
200. 200 看不到結果嗎？
201. 201 用 VNC 連進去開終端機看結果
202. 202 上下左右鍵與搖桿的對應
203. 203 上下左右鍵與搖桿的對應 - 觀察操作搖桿與畫面輸出值的關係
204. 204 vrx_channel = 1 while True: vrx_pos = ReadChannel(vrx_channel) if vrx_pos > 700 : ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_DOWN, 1) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_UP, 0) ui.syn() elif vrx_pos < 200 : ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_DOWN, 0) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_UP, 1) ui.syn() else : ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_DOWN, 0) ui.write(e.EV_KEY, e.KEY_UP, 0) ui.syn() time.sleep(0.1)
205. 205 DEMO joystick_mapping_keyboard.py (venv)$ cd ~/gpio-game-console (venv)$ cd 11_3-joystick_mapping_keyboard (venv)$ sudo python3 joystick_mapping_keyboard.py
206. 206 搖桿 + 按鍵的應用 MakerFaire 2014 Raspberry Jam
207. 207 線路圖 Pin7 Pin12
208. 208 DEMO gaming_console.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 13-gaming_console $ sudo python3 gaming_console.py
209. 209 • 第一個執行超級瑪莉 (x11vnc) • $ cd ~ • $ ./advmame suprmrio 用搖桿控制超級瑪莉 - 需要開啟兩個視窗 從 x11vnc 連線後執行超級瑪莉 ( 顯示畫面 )
210. 210 • 第二個執行搖桿按鍵對應程式(serial 或ssh) • $ cd ~/gpio-game-console/13-gaming_console • $ sudo python3 gaming_console.py 用搖桿控制超級瑪莉 從 serial 或 ssh 連線後執行搖桿按鍵對應程式
211. 211 好麻煩 ! 如何開機就執行 ?
212. 212 • 一次性的執行 , 可以放在 /etc/rc.local 裡 • 以服務的方式執行 , 需寫 systemd 設定檔 • 有畫面的程式前景執行 , 用 LXDE 的 autostart 開機就執行？
213. 213 • $ sudo nano /etc/rc.local • 新增黃色字的部份 sudo python3 /home/pi/gpio-game-console/13- gaming_console/gaming_console.py & # Print the IP address _IP=$(hostname -I) || true if [ "$_IP" ]; then printf "My IP address is %s\n" "$_IP" fi exit 0 開機就執行搖桿對應按鍵程式 這是同一行
214. 214 • $ nano ~/.config/lxsession/LXDE-pi/autostart 或是 • $ sudo nano /etc/xdg/lxsession/LXDE-pi/autostart • 新增黃色字的部份 @lxpanel --profile LXDE-pi @pcmanfm --desktop --profile LXDE-pi @xscreensaver -no-splash @lxterminal -e /home/pi/advmame suprmrio • 設定完以後重開機試試看吧 進入桌面環境後就執行超級瑪莉
215. 215 超音波距離感測器的應用 • 手勢拉搖桿演算法範例： 1. 握拳靠近感測器觸發 2. 握拳平行向後 15cm 3. 手掌打開 = 放開拉桿
216. 216 自製遊戲機 - 機構外殼很重要 demo board 大台 gameboy 正面 大台 gameboy 內裝 小台 gameboy 正面 小台 gameboy 內裝 大台電動玩具
217. 217 Raspberry Pi Rocks the World Thanks
218. 218 補充：自己編譯 AdvanceMAME
219. 219 • 安裝 gcc-4.8 • $ sudo apt-get install gcc-4.8 • 下載 advancemame-1.4.tar.gz • http://www.advancemame.it/download • 安裝 • $ sudo apt-get install -y gcc-4.8 libsdl1.2-dev • $ tar zxvf advancemame-1.4.tar.gz • $ cd advancemame-1.4/ • $ CC=gcc-4.8 GCC=g++-4.8 ./configure --disable- fb • $ make -j4 • $ ./advmame AdvanceMAME
220. 220 • 1. 產生 rc 檔 • $ cd /home/pi/advancemame-1.4 • $ chmod 755 advmame • $ ./advmame • 2. 下載 rom • $ cd /home/pi/.advance/rom • 3. 執行模擬器 • $ cd /home/pi/advancemame-1.4 • $ ./advmame suprmrio 執行模擬器
221. 221 補充： AdvanceMAME 性能調校
222. 222 • 修改解析度 , 改為 256x240x60 • tab 鍵進入選單 , 選擇 Video Mode, ESC 離開 我的 AdvanceMAME 很慢？
223. 223 • 修改解析度 , 改為 256x240x60 • tab 鍵進入選單 , 選擇 Video Mode, ESC 離開 我的 AdvanceMAME 很慢？
224. 224 • 修改解析度 , 改為 256x240x60 • tab 鍵進入選單 , 選擇 Video Mode, ESC 離開 我的 AdvanceMAME 很慢？