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

by 台灣樹莓派

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Raspberry Pi 遊戲機工作坊 - 從 GPIO 開始和世界連接台灣樹莓派 1

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CC (Creative Commons) 姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享姓名標示 — 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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關於我們 ● Raspberry Pi 官方經銷商 ● 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 3

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分享 x 教學 ● COSCUP,MakerConf,PyCon,HKOSCon 講者 ● 投影片 https://speakerdeck.com/piepie_tw ● 程式碼 ● ● https://github.com/piepie-tw 4

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No content

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本教學適合 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ☑ 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 6

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本次主題 ● Raspberry Pi GPIO 介紹環境設定 ● 輸入 / 輸出 ● 數位 / 類比 ● 練習與實做 ● 7

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目標了解電子電路原理 ● 學習如何根據規格撰寫控制程式 ● 親手完成遊戲機 ● 8

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今日環境 ● ● 硬體 :Raspberry Pi 5B 作業系統 :2026-06-18-raspios-trixiearm64-full.img ● 系統下載： https://reurl.cc/yWMryO ● 燒錄系統： https://reurl.cc/Vn1D6R 9

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安裝今日所需套件 ● $ sudo apt update ● $ sudo apt remove python3-rpi.gpio ● ● $ sudo apt install -y python3-dev python3-pip libsdl1.2-dev vim $ sudo apt install -y python3-evdev python3-libevdev python3-rpi-lgpio python3-spidev 10

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Raspberry Pi GPIO 介紹 11

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什麼是 GPIO ？ ● General Purpose Input Output ● GPIO 是一種可用軟體控制的數位訊號 http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet 12

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用軟體控制什麼 ? 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 13

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GPIO 腳位在哪裡？ Z 字型的腳位編號 Pin1 Pin3 Pin25 http://www.raspberrypi-spy.co.uk/ Z Pin2 Pin4 Pin26 14

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幾個 GPIO 的數字 ● 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 https://www.scribd.com/doc/101830961/GPIO-Pads-Control2 15

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如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ? ● C ● C + wiringPi ● C# ● Ruby ● Perl ● Python ● Scratch ● Java Pi4J Library ● Shell script 16

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GPIO Benchmark ● Python + RPi.GPIO = 70 kHz ● C + BCM 2835 = 5.4 MHz ● Ruby + wiringpi bindings = 21 kHz http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet 17

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Python + GPIO 18

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Python3 五分鐘速成 ● 變數 , 物件 , 型別 , 註解模組 ● 縮排 ● 迴圈 ● 條件判斷 ● 函式 ● 19

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變數 , 物件 , 型別 , 註解 ● 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]) i = "abcde" print(i[2]) # 印出串列中第三個元素 # 變數 i 指到字串物件 # 印出字串中第三個元素 20

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模組 # import MODULE import RPi.GPIO # import MODULE as ALIAS import RPi.GPIO as GPIO 21

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縮排用縮排取代大括號 ● 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 22

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迴圈 ● 自動迭代 (iterator) for i in range(start, stop[, step]): process for i in range(0, 11, 5): print(iU+0029 23

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條件判斷 if condition_1: process_1 elif condition_2: process_2 else: process_3 process_4 24

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函式 def function_name(): process def function_name(param_name): process def function_name(param_name = 3): process 25

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兩種執行 Python 的方法 ● ● 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. >>> 26

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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 27

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本套件相容於全系列 Raspberry Pi 購買 : https://www.piepie.com.tw/buy/2557/ 28

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數位輸出 29

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實驗 1: 硬體的 Hello World 目的 : 從硬體到軟體的思維 30

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LED 發光二極體 ● 單向導通 ● 省電 ● 短腳接負極 GND 長腳接正極 Vcc http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/5mm_Red_LED.jpg 31

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電路一分鐘速成 ● 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 I I V R V R I ● 歐姆定律 : 導體兩端的電壓與通過的電流成正比 ● V=IxR https://zh.wikipedia.org/wiki/ 电路 32

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Raspberry Pi + LED 直接插入嗎 ? 先看看規格吧 33

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LED 的特性 ● VF: 順向電壓 ● IF: 在順向電壓下的安全電流 https://learn.adafruit.com/all-about-leds/forward-voltage-and-kvl 34

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如何解讀？ ● 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 35

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電阻阻值計算四環：右側為金或銀 1K= 棕黑黑棕 ( 棕 ) 2K= 紅黑黑棕 ( 棕 ) 五環：前四環很靠近 www.digikey.tw/tw/zht/mkt/5-band-resistors.html 36

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要接哪一個腳位？ 37

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要接哪一個腳位？目標 : 一隻腳接地 , 一隻腳給電 38

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接線圖 LED 長腳 (RED) 短腳 (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 ) 39

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接線圖 LED 長腳 (RED) 短腳 (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 ) 40

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麵包板的種類 https://goo.gl/JipVgH 41

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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 LED 長腳 (RED) 短腳 (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 1k 電阻 43

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不會亮嗎？因為你沒寫程式阿 ● 試試看這樣接 44

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各腳位的意義 https://goo.gl/f2rPpN 45

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開始用 Python 控制 GPIO 吧 46

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Python Code 基本流程 ● 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) http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/wiki/BasicUsage 47

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一個實際的範例 #!/usr/bin/python3 ● import RPi.GPIO as GPIO # Import module import time 以下都是使用別名 (alias) 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 48

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DEMO led_on.py $ python3 led_on.py 49

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nano 編輯器使用使用 :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 50

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執行方式 $ 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 ) 51

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更多 RPi.GPIO 的使用方法 ● Wiki ● ● Code ● ● http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/ Home/ 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/ 52 BCM2835-ARM-Peripherals.pdf

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實驗 2: 控制 LED 閃爍目的 : 熟悉 Python 語法 53

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一樣的接線圖 LED 長腳 (RED) 短腳 (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 1k 電阻 54

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永不停止的 while 迴圈 - 按 Ctrl+c 跳出迴圈 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) 55 GPIO.cleanup()

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DEMO led_blink_warning.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 02_1-led_blink_warning $ python3 led_blink_warning.py 56

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RuntimeWarning: This channel is already in use, continuing anyway. Use GPIO.setwarnings(False) to disable warnings. 說明：該警告在 Bookworm 之後版本是使用 rpi-lgpio 套件，因此不會看到。因為舊版 RPI.GPIO 是將暫存寄直接映射到記憶體後操作硬體，而 rpi-lgpio 是採用 Linux 核心標準的 GPIO character device 介面。但建議使用者還是注意 GPIO.cleanup() 函式的使用時機和程式邏輯。57

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為什麼出現 Warning ? 說明：該警告在 Bookworm 之後版本是使用 rpi-lgpio 套件，因此不會看到。因為舊版 RPI.GPIO 是將暫存寄直接映射到記憶體後操作硬體，而 rpi-lgpio 是採用 Linux 核心標準的 GPIO character device 介面。但建議使用者還是注意 GPIO.cleanup() 函式的使用時機和程式邏輯。58

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程式何時會結束 ? 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) 59

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接住例外 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() 60

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DEMO led_blink.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 02_2-led_blink $ python3 led_blink.py 61

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實驗 3: 用 LED 做交通號誌目的 : 結構化程式設計 62

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設計一個紅綠燈 ● 紅 , 黃 , 綠燈依序亮燈 ● 紅燈亮 4 秒 , 黃燈亮 2 秒 , 綠燈亮 4 秒 http://www.clipartbest.com/traffic-light-photo 63

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接線圖 64

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DEMO traffic_light_nonstructure.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 03_1-traffic_light_nonstructure $ python3 traffic_light_nonstructure.py 65

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把亮燈拿到外面 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() 66

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DEMO traffic_light.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 03_2-traffic_light $ python3 traffic_light.py 67

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數位輸入 68

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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 69

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按鍵 Button / 開關 Switch ● 開關：按鍵式 , 滑動式 , 傾斜式 ... http://nicegear.co.nz/ 70

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按鍵 Button / 開關 Switch ● 常開 (normally open, N.O.) ● 常閉 (normally close, N.C.) 71 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 1 2 ● 按下前長邊相連 (1&2,3&4) ● 短邊不相連 ● 3 4 ● 按下後 ● 四點都通 http://www.ladyada.net/learn/arduino/lesson5.html 72

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簡單的按鍵接法 BUTTON 腳1 腳3 RPi Pin6 (Ground) Pin11 (GPIO17) 73

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問題在哪裡？ ● Input 空接會讀到雜訊按鍵按下後 , 讀到低電位按鍵按下前未導通 , 讀到？？ 74

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更好的按鍵接法 ( 上拉電阻 ) http://geekgurldiaries.blogspot.tw/2012/12/part-2.html 75

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線路圖 BUTTON 腳1 腳3 RPi Pin6 (Ground) Pin11 (GPIO17) Pin1 (3.3V) 1k 電阻 76

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判斷條件 : 這次低 && 上次高 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() 77

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DEMO push_button_poll.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_1-push_button_poll $ python3 push_button_poll.py 78

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按一次出現兩次？這樣子對不對啊？ 79

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開關訊號的彈跳問題 (bounce) ● 機械式開關在切換過程中會有訊號彈跳現象 ( 雜訊 ) 理想訊號輸出實際輸出訊號 http://120.101.72.1/Onechip/PPT/ 實習單元三 .ppt 80

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解決彈跳問題 (de-bounce) ● 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 10ms - 20ms 81

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不反應在延遲時間內的觸發 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 82

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DEMO push_button_debounce.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_2-push_button_debounce $ python3 push_button_debounce.py 83

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如何看系統效能？ ● PID 先以背景方式執行單一程式 ( 加上 &) ● $ python3 push_button_debounce.py & 84

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如何看系統效能？ ● PID ● 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 85

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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 86

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低 CPU 使用率 ( 按 q 離開 ) 87

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輪詢與中斷 ● 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 88

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中斷的程式寫法 ● 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 source/py_gpio.c 89

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即使在 sleep 狀態下也可立即回應 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() 90

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DEMO push_button_interrupt.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 04_3-push_button_interrupt $ python3 push_button_interrupt.py 91

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觀察使用中斷的寫法 CPU 使用率 92

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使用中斷 , 低 CPU 使用率 ( 按 q 離開 ) 93

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中斷的意義需要硬體或軟體 ( 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 ● source/py_gpio.c 94

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簡單的按鍵接法沒有錯 , 但是 ... BUTTON 腳1 腳3 RPi Pin6 (Ground) Pin11 (GPIO17) 95

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要搭配內建的上拉電阻 (50k) 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() 96

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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 97

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實驗 5: 傾斜開關目的 : 認識不同的硬體 98

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傾斜開關 Tilt Switch 99

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線路圖 SWITCH 第一腳 (RED) 第二腳 (BLACK) RPi Pin11 (GPIO17) Pin6 (Ground) 100

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使用內建的上拉電阻 DEMO tilt_switch.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 05-tilt_switch $ python3 tilt_switch.py 102

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實驗 6: 蜂鳴器樂器目的 : 聲音輸出 103

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原理 ● ● ● 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 http://www.itianer.com/diancishifengmingqigouzaoyuyuanlijieshao.html 104

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蜂鳴器 Buzzer ● 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 ) 自激式他激式 http://www.buzzer-speaker.com/manufacturer/piezo%20buzzer.htm 105

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線路圖 BUZZER +(RED) - (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 106

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可發出不同頻率聲音 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)) 107

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DEMO buzzer.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 06_1-buzzer $ python3 buzzer.py 108

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鋼琴模擬 0 2 4 6 8 ● 1 3 5 ● 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 ( http://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies 7 12 2 ) 109

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鋼琴頻率 ● 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 http://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies 110

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線路圖 RPi Pin7 Buzzer Pin11 Do Pin12 Re Pin13 Me Pin15 Fa Pin16 So Pin18 La Pin22 Si 111

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DEMO paino_buzzer.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 06_2-paino_buzzer $ python3 paino_buzzer.py 112

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實驗 7: 人體紅外線感測器目的 : 常見感測器使用 113

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Pyroelectric ("Passive") InfraRed Sensor PIR 人體紅外線感測器 114 http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2013/01/cheap-pir-sensors-and-the-raspberry-pi-part-1/

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使用示意圖 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html 115

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應用範例 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html http://totherails.blogspot.tw/2011/09/halloween-preparations.html 116

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元件說明 http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html 117

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瞭解規格 ● 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 118

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感測距離 / 延遲時間設定 ● ● 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 秒感測距離設定延遲時間設定實際可調整時間要看 R10,C6,R9,C7 而定 119

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觸發模式 ● 可重複觸發模式 (H) ● 不可重複觸發模式 (L) H: 可重複觸發感應 & 輸出感應 & 等待 & 輸出 L: 不可重複觸發 ( 預設 ) 120

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線路圖 Pin16 Pin16(GPIO23) 121

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再一次使用 interrupt 模式 PIR_PIN = 16 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() 122

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觸發才拉高電位 , 因此用內建的下拉電阻 DEMO pir.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 07_1-pir $ python3 pir.py 123

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加上警示的 LED 燈吧 124

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線路圖 1k 電阻 Pin16 Pin16(GPIO23) 125

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DEMO people_alarm_system.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 07_2-people_alarm_system $ python3 people_alarm_system.py 126

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偵測到人 , 燈閃 3 次 LED_PIN = 12 PIR_PIN = 16 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) 127

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實驗 8: 超音波距離感測器目的 : 根據規格撰寫程式 128

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測距離原理 ● 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 http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound 129 https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi

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HC-SR04 超音波距離感測器 ● 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) http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html 130

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應用 ● 避障 , 測距物體移動感測 ● 地鐵感測器 ● http://letsmakerobots.com/robot/project/rock-crawler https://www.dropbox.com/s/x0qdaq86rkc0zyv/MakerConf.pdf 131

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地鐵感測器 http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/ 132

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地鐵感測器 http://makezine.com/magazine/ultrasonic-train-detector-in-stockholm-subway/ 133

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HC-SR04 ● 規格與時序圖建議測量間隔 >60ms http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html 134

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分壓電路計算 ● 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 => R1=1K, R2 取 2K 135 https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi

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注意 1K, 2K 電阻 Gnd Echo Trig Vcc 這是背面 1k: 棕黑黑棕 2k: 紅黑黑棕 ULTRASONIC Vcc(RED) Trig(YELLOW) Echo(PURPLE) Grnd(BLACK) RPi Pin2 (5V) Pin16 (GPIO23) Pin18 (GPIO24) Pin6 (Ground) 136

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測量距離 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*100 137

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DEMO hc_sr04_measure_distance.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 08-hc_sr04_measure_distance $ python3 hc_sr04_measure_distance.py 138

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看看準不準？ 139

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實驗 9: 呼吸燈目的 : 瞭解訊號模擬 140

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數位與類比 ● 數位 :0 與 1 的訊號 ● 類比 : 連續的訊號 http://www.bitscope.com/software/blog/DJ/?p=DJ19A 141

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從 LED 的角度來看 ● 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？ 142

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可變電阻 Potentiometer(VR) ● 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 ) 接低電位滑動接點 ( 可變輸出 ) 接高電位 https://en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer 143

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利用可變電阻改變 LED 亮度 144

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有不使用額外硬體的方法嗎？ 145

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脈寬調變 (Pulse-Width Modulation) ● 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 http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/PWM 146

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公式計算 ● 輸出總功率 = 脈衝寬度 ( 時間 )x 高電位值 147 http://www.protostack.com/blog/2011/06/atmega168a-pulse-width-modulation-pwm/

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GPIO.PWM() ● To create a PWM instance: ● ● To start PWM: ● ● p.start(dc) # dc is the duty cycle To change the duty cycle: ● ● p = GPIO.PWM(channel, frequency) p.ChangeDutyCycle(dc) # where 0.0 <= dc <= 100.0 To stop PWM: ● p.stop() 148 http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/PWM/

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接線圖 LED 長腳 (RED) 短腳 (BLACK) RPi Pin12 (GPIO18) Pin6 (Ground) 1k 電阻 149

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互動式的調光 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() 150

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DEMO adjust_led_bright.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 09_1-adjust_led_bright $ python3 adjust_led_bright.py 151

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呼吸燈就是漸明漸亮 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) 152

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DEMO pwm_led.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 09_2-pwm_led $ python3 pwm_led.py 153

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Software PWM vs. Hardware PWM ● ● ● ● 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 154

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實驗 10: 光敏電阻目的 : 類比訊號的讀取 155

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光敏電阻 ● 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 http://www2.nkfust.edu.tw/~jlkuo2/31/a6.htm 156

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類比訊號轉換為數位訊號 ● Raspberry Pi 沒有硬體的類比數位轉換器 (ADC) IN ADC OUT 此 ADC 的解析度為 4bits 從 0000 到 1111( 看 Y 軸 ) 157 http://www.planetoftunes.com/digital-audio/how-do-analogue-to-digital-converters-work.html

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利用 MCP3008 ● 類比數位轉換器 (Analog to Digital Converter) ● 8 通道 ,10 bits 解析度 ● SPI 協議 158

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Serial Peripheral Interface(SPI) ● 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 ● SPI Master SCLK MOSI MISO SS1 SS2 SS3 MISO: 從往主送 https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus SCLK MOSI MISO SS SPI Slave SCLK MOSI MISO SS SPI Slave SCLK MOSI MISO SS SPI Slave 159

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啟用 Raspberry Pi 的 SPI ● $ sudo raspi-config 160

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啟用 Raspberry Pi 的 SPI ● $ sudo raspi-config 161

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啟用 Raspberry Pi 的 SPI ● $ sudo raspi-config 162

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SPI 使用前的確認 ● 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 163

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MCP3008 CLK Din Dout CS RPi Pin23 (SCLK) Pin19 (MOSI) Pin21 (MISO) Pin24 (CE0) 接線圖 1k 電阻缺口朝左 164

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再看一次腳位定義 ● SPI 會用到的腳位是 MOSI,MISO,SCLK 和 CE0/CE1 165

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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) 166

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程式要照硬體規格撰寫 167

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了解 spi.xfer2() 的意義 ● input 一次送三個 bytes ● # byte 1: the start bit (always 0x01) ● # byte 2: configure bits ● # byte 3: don't care 0x01 Ch0/Ch1 ● don't care spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0]) ● Ch0 = 1000 0000 ● Ch1 = 1001 0000 168

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169 http://wolfpaulus.com/

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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 170 http://wolfpaulus.com/

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DEMO photoresistor.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 10-photoresistor $ python3 photoresistor.py 171

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再透過分壓電路回推光敏電阻阻值光越強，電壓值越低 172

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實驗 13: 模擬器目的 : 系統整合 173

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遊戲機 = 硬體 + 遊戲 http://www.emulatorworld.com/ 174

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Video Game System Emulators 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) https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_video_game_emulators 175

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MAME(Multiple Arcade Machine Emulator) ● 模擬大台電動玩具 http://www.williamsamusements.co.uk/mame.html 176

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用 Virtual Network Computing 看畫面 ● 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 Raspberry Pi 當 VNC Server Laptop/PC 當 VNC client 177

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啟用 Raspberry Pi 的 VNC Server ● $ sudo raspi-config 178

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啟用 Raspberry Pi 的 VNC Server ● $ sudo raspi-config 179

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啟用 Raspberry Pi 的 VNC Server ● $ sudo raspi-config 180

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VNC Client 安裝 ● 下載 RealVNC Viewer https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer port 預設從 5900 開始 181

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在 VNC 下執行 AdvanceMAME ● ● ● 下載編譯好的 binary ● $ cd ~ ● $ wget https://bit.ly/advmame -O ~/advmame ● $ chmod 755 advmame ● $ ./advmame 2. 下載 ROM 大寫的英文 " 歐 " ● $ cd ~ ● $ wget https://bit.ly/suprmrio -O ~/.advance/rom/suprmrio.zip 3. 執行模擬器 ● $ cd ~ ● $ ./advmame suprmrio 大寫的英文 " 歐 " 183

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下載 ROM 放到對應的目錄下 ● 搜尋 MAME ● ● 中英文對照 ● ● http://www.emuparadise.me/ http://bbs.duowan.com/thread-41350071-11.html 經典遊戲 ● 超級瑪莉歐 ● 彈珠台 ● 小精靈 ● 坦克大作戰 , 泡泡龍 ... 184 http://en.wikipedia.org/wiki/Nintendo_Entertainment_System

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使用模擬器 ● $ 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 185

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遊戲機製作步驟 ● 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 186 http://www.linuxuser.co.uk/tutorials/emulate-a-bluetooth-keyboard-with-the-raspberry-pi

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搖桿 (joystick) 187

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XY 雙軸搖桿 ● 3.3V-5V 工作電壓 ● 輸出形式： ● x,y 軸 - 類比輸出 ● z 軸 - 數位輸出 http://www.aliexpress.com/cheap/cheap-arduino-joystick.html 188

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MS VRY VRX +3.3V GND 189 http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2014/04/using-a-joystick-on-the-raspberry-pi-using-an-mcp3008/

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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)) 190 time.sleep(0.5)

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DEMO mcp3008_joystick $ cd ~/gpio-game-console $ cd 11_1-mcp3008_joystick $ python3 mcp3008_joystick.py 191

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觀察結果 192

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搖桿如何和 keyboard 對應？ 193

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Linux 輸入與輸出的處理流程 https://en.wikipedia.org/wiki/Evdev 194

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Linux Input Subsystem http://www.linuxjournal.com/article/6396 195

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Linux Input Subsystem ● USB 或 PS2 keyboard 都是同一個 handler 處理 USB Keyboard PS2 Keyboard ● 我們可以加上 GPIO 的 driver, 讓 keyboard handler 來接？ http://www.linuxjournal.com/article/6396 196

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除了在 kernel space 做以外 , 可以在 user space 做嗎？ 197

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python3-evdev ● evdev(event device) ● ● python3-evdev ● ● 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 install python3-evdev python3-libevdev https://pypi.python.org/pypi/evdev 198

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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() 199

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需要有 root 權限才能發送鍵盤事件 DEMO evdev_keyboard.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 11_2-evdev_keyboard $ sudo python3 evdev_keyboard.py 200

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看不到結果嗎？ 201

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用 VNC 連進去開終端機看結果 202

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上下左右鍵與搖桿的對應 203

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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

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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

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DEMO joystick_mapping_keyboard.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 11_3-joystick_mapping_keyboard $ sudo python3 joystick_mapping_keyboard.py 206

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搖桿 + 按鍵的應用 MakerFaire 2014 Raspberry Jam 207

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接線圖 Pin7 Pin12 208

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DEMO gaming_console.py $ cd ~/gpio-game-console $ cd 13-gaming_console $ sudo python3 gaming_console.py 209

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用搖桿控制超級瑪莉 - 需要開啟兩個視窗 ● 第一個執行超級瑪莉 (VNCViewer) ● $ cd ~ ● $ ./advmame suprmrio 從 x11vnc 連線後執行超級瑪莉 ( 顯示畫面 ) 210

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用搖桿控制超級瑪莉 ● 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 從 serial 或 ssh 連線後執行搖桿按鍵對應程式 211

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好麻煩 ! 如何開機就執行 ? 212

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開機就執行？ ● 一次性的執行可以使用工作排程 , 修改 crontab ● 有畫面的程式前景執行 , 用 LXDE 的 autostart ● 以服務的方式執行 , 需寫 systemd 設定檔 213

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開機就執行搖桿對應按鍵程式 ● 先建立搖桿對應按鍵程式的腳本 ● $ nano ~/my-script.sh ● #!/bin/bash ● sudo python3 /home/pi/gpio-gameconsole/13-gaming_console/gaming_co nsole.py ● $ chmod 755 ~/my-script.sh 這是同一行 214

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建立工作排程 ● 第一次會詢問編輯工作排程用的編輯器 , 選 nano ● $ sudo crontab -e 215

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開機就執行 my-script.sh ● 新增 @reboot /home/pi/my-script.sh 216

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進入桌面環境後就執行超級瑪莉 ● $ 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 217

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三種自動程式方案比較方案 cron @reboot autostart .desktop systemd 執行時機開機桌面登入後開機，可精確控制順序需要 root 可選否可選適合情境簡單一次性指令 GUI 相關程式所有情境，最彈性執行搖桿對應按鍵程式執行超級瑪莉遊戲畫面 218

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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 219

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自製遊戲機 - 機構外殼很重要 demo board 小台 gameboy 正面大台 gameboy 內裝大台 gameboy 正面小台 gameboy 內裝 220 大台電動玩具

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Raspberry Pi Rocks the World Thanks 221

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補充：自己編譯 AdvanceMAME 222

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AdvanceMAME ● 安裝 gcc ● ● 下載 advancemame-5.0.tar.gz ● ● $ sudo apt-get install gcc http://www.advancemame.it/download 安裝 ● $ sudo apt-get install -ylibsdl1.2-dev ● $ tar zxvf advancemame-5.0.tar.gz ● $ cd advancemame-5.0 ● $ ./configure --disable-fb ● $ make -j4 ● $ ./advmame 223

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執行模擬器 ● ● 1. 產生 rc 檔 ● $ cd /home/pi/advancemame-5.0 ● $ chmod 755 advmame ● $ ./advmame 2. 下載 rom ● ● $ cd /home/pi/.advance/rom 3. 執行模擬器 ● $ cd /home/pi/advancemame-5.0 ● $ ./advmame suprmrio 224

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補充： AdvanceMAME 性能調校 225

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我的 AdvanceMAME 很慢？ ● 修改解析度 , 改為 256x240x60 ● tab 鍵進入選單 , 選擇 Video Mode, ESC 離開 226

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