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1
Raspberry Pi 遊戲機工作坊
- 從 GPIO 開始和世界連接
台灣樹莓派
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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。
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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
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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
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No content
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6
●
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
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●
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
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●
硬體:Raspberry Pi 4B
●
作業系統:2021-05-07-raspios-buster-armhf-full.img
●
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
刪除 quiet
新增三行
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9
●
$ sudo apt-get update
●
$ sudo apt-get install -y python3-dev
python3-pip libsdl1.2-dev vim
●
$ sudo pip3 install spidev evdev
安裝今日所需套件
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10
Raspberry Pi GPIO 介紹
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11
●
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
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12
●
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 ?
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13
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
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14
●
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
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●
C
●
C + wiringPi
●
C#
●
Ruby
●
Perl
●
Python
●
Scratch
●
Java Pi4J Library
●
Shell script
如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ?
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16
●
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
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Python + GPIO
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18
●
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
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●
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
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# import MODULE
import RPi.GPIO
# import MODULE as ALIAS
import RPi.GPIO as GPIO
模組
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21
●
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
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22
●
自動迭代 (iterator)
for i in range(start, stop[, step]):
process
for i in range(0, 11, 5):
print(i)
迴圈
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23
if condition_1:
process_1
elif condition_2:
process_2
else:
process_3
process_4
條件判斷
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24
def function_name():
process
def function_name(param_name):
process
def function_name(param_name = 3):
process
函式
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25
●
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 3.5.3 (default, Sep 27 2018, 17:25:39)
●
[GCC 6.3.0 20170516] on linux
●
Type "help", "copyright", "credits" or
"license" for more information.
>>>
兩種執行 Python 的方法
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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
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本套件相容於全系列 Raspberry Pi
購買 :
https://www.piepie.com.tw/2557/
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數位輸出
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29
實驗 1: 硬體的 Hello World
目的 : 從硬體到軟體的思維
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30
●
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
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31
●
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
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32
Raspberry Pi + LED
直接插入嗎 ?
先看看規格吧
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●
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
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34
●
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？
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35
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 )
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要接哪一個腳位？
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要接哪一個腳位？
目標 : 一隻腳接地 , 一隻腳給電
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線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
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線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
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麵包板的種類
https://goo.gl/JipVgH
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麵包板的使用
https://www.slideshare.net/eoinbrazil/imediaarduino08
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使用麵包板方便多了
1k 電阻
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
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43
●
試試看這樣接
不會亮嗎？ 因為你沒寫程式阿
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各腳位的意義
https://goo.gl/f2rPpN
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開始用 Python 控制 GPIO 吧
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●
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
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#!/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)
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DEMO
led_on.py
$ python3 led_on.py
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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
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$ 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
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●
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
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實驗 2: 控制 LED 閃爍
目的 : 熟悉 Python 語法
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一樣的線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
1k 電阻
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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
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55
DEMO
led_blink_warning.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 02_1-led_blink_warning
$ python3 led_blink_warning.py
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56
RuntimeWarning: This channel is already in use,
continuing anyway. Use
GPIO.setwarnings(False) to disable warnings.
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為什麼出現 Warning ?
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●
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 ?
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59
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
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60
DEMO
led_blink.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 02_2-led_blink
$ python3 led_blink.py
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61
實驗 3: 用 LED 做交通號誌
目的 : 結構化程式設計
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●
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
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線路圖
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64
DEMO
traffic_light_nonstructure.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 03_1-traffic_light_nonstructure
$ python3 traffic_light_nonstructure.py
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65
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
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66
DEMO
traffic_light.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 03_2-traffic_light
$ python3 traffic_light.py
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數位輸入
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實驗 4: 讀取按鍵輸入
目的 : 了解硬體和軟體的差異
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●
開關：按鍵式 , 滑動式 , 傾斜式 ...
按鍵 Button / 開關 Switch
http://nicegear.co.nz/
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70
●
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
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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
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簡單的按鍵接法
BUTTON RPi
腳 1 Pin6 (Ground)
腳 3 Pin11 (GPIO17)
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73
●
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
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更好的按鍵接法 ( 上拉電阻 )
http://geekgurldiaries.blogspot.tw/2012/12/part-2.html
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線路圖
BUTTON RPi
腳 1 Pin6 (Ground)
腳 3 Pin11 (GPIO17)
Pin1 (3.3V)
1k 電阻
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76
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
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77
DEMO
push_button_poll.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 04_1-push_button_poll
$ python3 push_button_poll.py
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78
按一次出現兩次？這樣子對不對啊？
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79
●
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
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80
●
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
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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
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82
DEMO
push_button_debounce.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 04_2-push_button_debounce
$ python3 push_button_debounce.py
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83
●
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
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84
●
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 ( 按 q 離開 )
●
$ top -c
如何看系統效能？
PID
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在 top 指令中止程序
在 top 指令中按 k
輸入要中止的程序 PID
輸入 KILL 訊號 9 中止程序
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使用 ps 指令查詢程序
使用 ps aux | grep python3 搜尋程序
使用指令 kill 送出中止訊號 9 給程序
再次使用 ps aux 已經沒有該程序了
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●
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
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●
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
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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
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90
DEMO
push_button_interrupt.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 04_3-push_button_interrupt
$ python3 push_button_interrupt.py
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●
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
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簡單的按鍵接法沒有錯 , 但是 ...
BUTTON RPi
腳 1 Pin6 (Ground)
腳 3 Pin11 (GPIO17)
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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)
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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
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實驗 5: 傾斜開關
目的 : 認識不同的硬體
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傾斜開關 Tilt Switch
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線路圖
SWITCH RPi
第一腳 (RED) Pin11 (GPIO17)
第二腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
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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)
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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
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實驗 6: 蜂鳴器樂器
目的 : 聲音輸出
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●
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
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102
●
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
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103
線路圖
BUZZER RPi
+(RED) Pin12 (GPIO18)
- (BLACK) Pin6 (Ground)
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104
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
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105
DEMO
buzzer.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 06_1-buzzer
$ python3 buzzer.py
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106
●
●
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
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107
●
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
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108
線路圖
RPi
Pin7 Buzzer
Pin11 Do
Pin12 Re
Pin13 Me
Pin15 Fa
Pin16 So
Pin18 La
Pin22 Si
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109
DEMO
paino_buzzer.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 06_2-paino_buzzer
$ python3 paino_buzzer.py
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110
實驗 7: 人體紅外線感測器
目的 : 常見感測器使用
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111
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/
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112
使用示意圖
http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
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113
應用範例
http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
http://totherails.blogspot.tw/2011/09/halloween-preparations.html
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114
元件說明
http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
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115
●
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
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116
●
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
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117
●
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
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118
線路圖
Pin26
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119
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
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120
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
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121
加上警示的 LED 燈吧
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122
線路圖
1k 電阻
Pin26
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123
DEMO
people_alarm_system.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 07_2-people_alarm_system
$ python3 people_alarm_system.py
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124
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
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125
實驗 8: 超音波距離感測器
目的 : 根據規格撰寫程式
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●
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
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127
●
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
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128
●
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
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129
地鐵感測器
http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/
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130
地鐵感測器
http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/
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131
●
規格與時序圖
HC-SR04
http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html
建議測量間隔 >60ms
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132
●
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
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133
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
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134
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
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135
DEMO
hc_sr04_measure_distance.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 08-hc_sr04_measure_distance
$ python3 hc_sr04_measure_distance.py
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136
看看準不準？
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137
實驗 9: 呼吸燈
目的 : 瞭解訊號模擬
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138
●
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
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139
●
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
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140
●
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 )
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利用可變電阻改變 LED 亮度
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142
有不使用額外硬體的方法嗎？
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143
●
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
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144
●
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/
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145
●
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/
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146
線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)
1k 電阻
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147
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
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148
DEMO
adjust_led_bright.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 09_1-adjust_led_bright
$ python3 adjust_led_bright.py
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149
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
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150
DEMO
pwm_led.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 09_2-pwm_led
$ python3 pwm_led.py
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151
●
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
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152
實驗 10: 光敏電阻
目的 : 類比訊號的讀取
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●
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
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154
●
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 )
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155
●
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
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156
●
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
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157
●
$ sudo raspi-config
啟用 Raspberry Pi 的 SPI
Slide 158
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158
●
$ sudo raspi-config
啟用 Raspberry Pi 的 SPI
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159
●
$ sudo raspi-config
啟用 Raspberry Pi 的 SPI
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160
●
測試確認 SPI 模組已載入
●
$ ls /dev/spi*
●
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 -y python-dev
●
$ sudo pip install spidev
SPI 使用前的確認
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線路圖
MCP3008 RPi
CLK Pin23 (SCLK)
Din Pin19 (MOSI)
Dout Pin21 (MISO)
CS Pin24 (CE0)
缺口朝左
1k 電阻
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162
●
SPI 會用到的腳位是 MOSI,MISO,SCLK 和 CE0/CE1
再看一次腳位定義
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163
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)
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164
程式要照硬體規格撰寫
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165
●
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
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http://wolfpaulus.com/
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167
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
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168
DEMO
photoresistor.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 10-photoresistor
$ python3 photoresistor.py
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169
再透過分壓電路回推光敏電阻阻值
光越強，電壓值越低
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170
實驗 13: 模擬器
目的 : 系統整合
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遊戲機 = 硬體 + 遊戲
http://www.emulatorworld.com/
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172
●
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
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173
●
模擬大台電動玩具
MAME(Multiple Arcade Machine Emulator)
http://www.williamsamusements.co.uk/mame.html
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174
●
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
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175
●
$ sudo raspi-config
開啟 VNC Server 服務
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176
●
$ sudo raspi-config
開啟 VNC Server 服務
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177
●
$ sudo raspi-config
開啟 VNC Server 服務
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178
●
下載 realvnc viewer
https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer
x11vnc Client 安裝
port 和 x11vnc 相同
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179
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先不要更新
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181
●
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 "
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182
●
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
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183
●
$ 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
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184
●
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
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185
搖桿 (joystick)
Slide 186
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186
●
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
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187
http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2014/04/using-a-joystick-on-the-raspberry-pi-using-an-mcp3008/
+5V
MS VRY VRX GND
Slide 188
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188
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)
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189
DEMO
mcp3008_joystick
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 11_1-mcp3008_joystick
$ python3 mcp3008_joystick.py
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190
觀察結果
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191
搖桿如何和 keyboard 對應？
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192
Linux 輸入與輸出的處理流程
https://en.wikipedia.org/wiki/Evdev
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193
Linux Input Subsystem
http://www.linuxjournal.com/article/6396
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194
●
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
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除了在 kernel space 做以外 ,
可以在 user space 做嗎？
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196
●
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
●
python-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 pip install evdev
python-evdev
https://pypi.python.org/pypi/evdev
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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()
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198
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
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看不到結果嗎？
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用 VNC 連進去開終端機看結果
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201
上下左右鍵與搖桿的對應
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202
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
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203
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)
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204
DEMO
joystick_mapping_keyboard.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 11_3-joystick_mapping_keyboard
$ sudo python3 joystick_mapping_keyboard.py
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205
搖桿 + 按鍵的應用
MakerFaire 2014 Raspberry Jam
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206
線路圖
Pin7 Pin12
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207
DEMO
gaming_console.py
$ cd ~/gpio-game-console
$ cd 13-gaming_console
$ sudo python3 gaming_console.py
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208
●
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 )
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209
●
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
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210
好麻煩 !
如何開機就執行 ?
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211
●
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？
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212
●
$ 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
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213
●
$ 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
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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
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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
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Raspberry Pi Rocks the World
Thanks
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補充：自己編譯 AdvanceMAME
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●
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
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219
●
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
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補充： AdvanceMAME 性能調校
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●
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？
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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？
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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？