Raspberry 1B: I/O connector P1

Hier als referentie de 26-polige pin-out van de P1 connector op de originele 256 MB B-versie (zie deze eLinux pagina voor de 40-polige versie), met zowel de Broadcom datasheet namen (BCM) als de Raspberry Pi namen. Meer details op de eLinux RPi BCM2835 GPIO pagina. Let op: hoewel er een +5 Volt pin op de connector zit, zijn alle I/O's 3.3 Volt, en kunnen niet tegen 5 Volt!! Max stroom per pin is blijkbaar instelbaar van 2 tot 16 mA, maar kan de details niet vinden. GPIO pinnummering (BCM of Raspberry) is afhankelijk van je programmeertaal, zie onderstaande tabel.

Functie	BCM	Raspberry	Pin	Pin	Raspberry	BCM	Functie
50 mA max!	+3V3	+3V3	1	2	+5	+5V
I2C0_SDA (*1)	GPIO0	SDA0	3	4	(+5 *3)	--
I2C0_SCL (*1)	GPIO1	SCL0	5	6	GND	GND
GP CLK0	GPIO4	GPIO_GCLK	7	8	TXD0	GPIO14	Serieel transmit
	--	(GND *3)	9	10	RXD0	GPIO15	Serieel receive
	GPIO17	GPIO-GEN0	11	12	GPIO-GEN1	GPIO18	PCM_CLK / PWM0
PCM-OUT	GPIO21 (*2)	GPIO-GEN2	13	14	(GND *3)	--
	GPIO22	GPIO-GEN3	15	16	GPIO-GEN4	GPIO23
	--	(+3V3 *3)	17	18	GPIO-GEN5	GPIO24
SPI-0 MOSI	GPIO10	SPI_MOSI	19	20	(GND *3)	--
SPI-0 MISO	GPIO9	SPI_MISO	21	22	GPIO_GEN6	GPIO25
SPI-0 SCLK	GPIO11	SPI_SCLK	23	24	SPI_CE0_N	GPIO8	SPI-0 CE0
	--	(GND *3)	25	26	SPI_CE1_N	GPIO7	SPI-0 CE1

(*1): I2C1_SDA/GPIO2 en I2C1_SCL/GPIO3 op revisie-2 borden!
(*2): GPIO27/TMS op revisie-2 borden! Op een revisie-2 bord zit bovendien een extra GPIO connector met 4 extra GPIO's (28-31).
(*3): Alleen op de 40-polige B+ versie!

Raspberry 3: Extra pinnen

Functie	BCM	Raspberry	Pin	Pin	Raspberry	BCM	Functie
	GPIO0	ID_SD	27	28	ID_SC	GPIO1
	GPIO5		29	30	GND	GND
	GPIO6		31	32		GPIO12
	GPIO13		33	34	GND	GND
	GPIO19	MISO	35	36	CE#2	GPIO16
	GPIO26		37	38	MOSI	GPIO20
	GND	GND	39	40	SCLK	GPIO21

GPIO low-level aansturen

GPIO vanaf de bash prompt

Als allereerste experiment: een simpel voorbeeld van GPIO aansturing vanuit bash-scripts. Ik heb hiervoor een LED op GPIO 1 aangesloten met een serie-weerstand van 680 Ohm tussen pin P1-12 (gpio-1) en P1-6 (ground). GPIO 1 (volgens de Raspberry nummering, gpio18 volgens de BCM nummering) kan ik zo hoog en laag te maken, en zo de LED aan en uit zetten. Lezen kan op een vergelijkbare manier (met b.v. cat). Let op: gebruik hierbij de pinnummering zoals Broadcom ze voor de BCM aangeeft!

kees@raspberrypi ~ $ sudo -i; # niet nodig voor nieuwere Raspberries
root@raspberrypi ~ # echo "18" >/sys/class/gpio/export
root@raspberrypi ~ # echo "out" >/sys/class/gpio/gpio18/direction
root@raspberrypi ~ # echo "1" >/sys/class/gpio/gpio18/value; # LED gaat aan
root@raspberrypi ~ # echo "0" >/sys/class/gpio/gpio18/value; # LED gaat weer uit
root@raspberrypi ~ # echo "1" >/sys/class/gpio/gpio18/value

GPIO vanuit Python

Eerst éénmalig installeren van de python headers en de gpio library (download van PiPy):

sudo apt-get install python-dev
wget http://pypi.python.org/packages/source/R/RPi.GPIO/RPi.GPIO-0.3.1a.tar.gz
tar zxf RPi.GPIO-0.3.1a.tar.gz
cd RPi.GPIO-0.3.1a
sudo python setup.py install
cd ..
sudo rm -rf RPi.GPIO-0.3.1a/
rm RPi.GPIO-0.3.1a.tar.gz

Dan kan je vervolgens in een python-script of vanaf de prompt de gpio aan, voorbeeld:

kees@raspberrypi ~ $ sudo python
Python 2.7.3rc2 (default, May 6 2012, 20:02:25)
[GCC 4.6.3] on linux2
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import RPi.GPIO as GPIO
>>> GPIO.setmode(GPIO.BCM)
>>> GPIO.setup(18, GPIO.OUT)
>>> GPIO.output(18, True)
>>> GPIO.output(18, False)
>>> ^D

I2C

Op de Raspberry zit (zoals op zo veel systemen) een I²C bus (vergelijkbaar met de SMB bus). Op deze 2-pins (plus ground/voeding...) bus kan je ook je eigen hardware aansluiten (tot max 128 I2C chips). Het is een ideale manier om bijvoorbeeld extra I/O pinnen te krijgen met behulp van een PCF8574A chip (8 extra I/O pinnen). Ook bijvoorbeeld LCD displays, temperatuursensors, real-time clock, A/D converters en dergelijken kunnen via I2C worden aangesloten. Plus, je kan voor speciale taken je 'eigen I2C-chips' maken voor een paar Euro's, bijvoorbeeld voor stappenmotoren aan te sturen. De (1K8) pull-up weerstanden voor I2C zitten al op de Raspberry, hoeven dus niet extern te worden aangesloten.

Voor de Raspberry Pi 1: I²C aansturen is in het begin wat lastig, omdat de I2C modules niet standaard in Raspbian geladen zijn. De i2c-bcm2708 module is blacklisted in /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf, eerst deze file editen en het commentaarteken # voor de regel met i2c-bcm2708 zetten, en even opnieuw opstarten. Daarna ook de I2C-dev module laden met sudo modprobe i2c-dev. Dit is overigens een tijdelijke oplossing, meer definitief is te zorgen dat deze module in /etc/modules opgenomen is (i2c_bcm2708 wordt al automatisch geladen als de blacklist verwijderd is). Daarnaast zal je ook de I2C tools moeten installeren: sudo apt-get install i2c-tools .

Voor de Rasperry Pi 3 kan je met sudo raspi-config de I2C aanzetten en ook zorgen dat de drivers geladen worden, niet meer nodig om in blacklist-files en zo te spitten.

PCF8574 voor extra I/O

Ik heb het hiernaast staande schema'tje met een PCF8574A (kost zo'n € 2) op een stukje gaatjesprint gemaakt, en met een flatcable aangesloten op de I2C-pinnen van de Raspberry. Op de print zitten ook twee LEDs en een switch. Het was nog even lastig de PCF te 'vinden' op de bus; het adres op de bus was een bit naar rechts verschoven t.o.v. de documentatie van de PCF8574A; dus 0x38 in plaats van 0x70. Dank zij i2cdetect -y 0 (uit i2c-tools) was hij echter snel gevonden:

kees@raspberrypi ~ $ i2cdetect -l
i2c-0    unknown     bcm2708_i2c.0      N/A
i2c-1    unknown     bcm2708_i2c.1      N/A
kees@raspberrypi ~ $ sudo chmod o+rw /dev/i2c-0
kees@raspberrypi ~ $ i2cdetect -y 0
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- 38 -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Connectorprint en PCF8574 via I²C

Standaard is de I²C-poort niet voor iedereen toegankelijk (kan hardware aansturen die de werking van het systeem kan verstoren, zoals op een PC). Hier hebben we de I2C-bus zelf in de hand, dus om niet steeds sudo voor een commando te moeten zetten is het handig de poort world-access te geven: sudo chmod o+rw /dev/i2c-0 . Met het commando i2cget -y 0 0x38 0xFF (ook uit i2c-tools) worden de uitgangen op 0xFF (allemaal hoog) gezet, en vervolgens teruggelezen. Afhankelijk van de toestand van de switch komt er nu 0x7F (ingedrukt) of 0xFF (los) terug. Om de LEDs aan te zetten moeten de bijhorende uitgangen laag gemaakt worden: i2cget -y 0 0x38 0xFC. Nog wat pcf8574-voorbeeldjes (python, C). Hier de one-liner voor een wissel-knipperlicht totdat de knop wordt ingedrukt:

while [ "0xfe" = `i2cget -y 0 0x38 0xfe` ]; do sleep 1; i2cget -y 0 0x38 0xfd; sleep 1; done

Temperatuursensor LM75

Een ander leuk I2C blokje is de temperatuursensor LM75. Ik heb de low-cost NXP LM75BD, met een resolutie van 1/8 graad (11-bit) en een maximum onnauwkeurigheid van ±2 ºC van -25ºC tot +100ºC, en de mogelijkheid iets aan en uit te schakelen op instelbare temperatuurpunten via een aparte uitgang. Nauwkeurigheid wordt wat groter door calibratie; in ijswater wisselde dit bij mij tussen de 0 °C en de 0.375 °C (met chips uit dezelfde serie) dus zeg max een halve graad afwijking.

De LM75BD zit in een SO8-behuizing (5x5 mm). Dit is zo'n beetje de kleinste die ik nog zo aan kan om uit de hand te solderen. 5 dunne draadjes aangesoldeerd plus een 100 nF condensator over Vcc (3.3 .. 5V) en aarde. De draden door een stukje isolatie geregen (van een andere draad gestript) samen met een stukje dun enkel-kern draad voor de mechanische stevigheid, en ik had de montage zoals hiernaast op mijn vingertop vergroot te zien is. Hier is later nog een druppel twee-componentenlijm omheen gegaan voor bescherming.

Bij het aan aarde leggen van de 3 adrespinnen A0..A2 meldt de chip zich keurig met i2cdetect -y 0 op adres 48. Uitlezen van het eerste byte van de temperatuur ( i2cget -y 0 0x48 0x00 leest register 0) geeft 0x15 (21 °C), wat oploopt naar 0x20 (32 °C) als ik de sensor tussen mijn vingers houd. Uitlezen van de twee temperatuursetpoints (register 2 en 3) geven de juiste waarden: 75 en 80 °C. Een setpoint instellen gaat eenvoudig: de bovengrens verhogen van 80 naar 96 graden (0x60 hexadecimaal) kan met i2cset -y 0 0x48 0x03 0x60. Wil je meer, zoals alle 11 bits van de temperatuur uitlezen, dan komt er toch een programma'tje bij kijken (voorbeeld lm75 uitlezing).

Hieronder een grafiekje van de temperatuur in de kamer (meting per kwartier), waarbij in de loop van de week de buitentemperatuur flink naar beneden ging.De eerste dagen was het zonnig, en daalde de temperatuur zelfs 's nachts nauwelijks onder de 20 graden. Daarna snel kouder, overdag hield de verwarming de zaak op 20 graden (thermostaat aan andere kant van de kamer) afgezien van wat werkzaamheden waarbij de deur veel open moest, 's nachts koelde het snel af omdat het buiten maar iets boven de nul was. De hakkeltjs zijn wat eigenaardig: soms lijkt het of de LM75BD niet helemaal goed uitleest, en een update van de waarde doet tussen het lezen van de high- en de low-byte in... Heb ik later in software aangepast.

Kamertemperatuur gedurende een week

Metingen drie sensoren over 24 uur

En nog een plaatje van meer recente datum, geplukt van de webview waarmee ik de resultaten op afstand kan bekijken (gebruik makend van Google Charts). Data is over 25 uur, met metingen om het uur.

Aan subtiele veranderingen in de temperatuur kan je heel wat aflezen: bijvoorbeeld de kamertemperatuur is mooi constant, maar je ziet iets variatie

• de sensor 'Kamer' hangt te dicht bij de TV, scheelt ongeveer een graad
• De sensor voor 'Zolder' zit op de warmwaterleiding, je ziet wanneer er warm water wordt gepakt. Dit wordt gebruikt door het home control system om bijvoorbeeld de afzuiging in de badkamer aan te zetten

Als je dit weet, en je weet het leefritme, kan je hier weer je systeem op laten reageren.

Specifieke PCF8574 driver werkt niet?

De PCF8574 zou controle nog eenvoudiger moeten maken... Helaas lukt het niet de driver voor de PCF8574 te laden omdat deze niet standaard in de compiler is meegecompileerd (modprobe pcf857x geeft een fout). Ik kreeg van Jarno Kamminga de volgende extra informatie hierover:

Er bestaat een kernel module genaamd gpio-pcf8574x, standaard is deze niet meegeleverd met bijvoorbeeld Raspbian wheezy en het vereist wat werk om deze te compileren, maar als deze gecompileerd is kan je hem laden met "modprobe gpio-pcf8574x". Zodra de driver geladen is kan je met "echo pcf8574 0x38 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device" de IC toevoegen aan I2C, dit zorgt ervoor dat je vervolgens de poorten/pins kan benaderen via de sysfs interface, zoals jij toont in "GPIO vanaf de bash prompt".

Zodra je het nieuwe I2C apparaat geladen hebt wordt er een nieuwe GPIO chip gecreerd (/sys/class/gpio/gpiochip248). Je kan nu de acht GPIO pinnen van de PCF8574 benaderen als GPIO248 tot GPIO255. Bijvoorbeeld:

kees@raspberrypi ~ $ sudo -i
root@raspberrypi ~ # echo "248" >/sys/class/gpio/export
root@raspberrypi ~ # echo "out" >/sys/class/gpio/gpio248/direction
root@raspberrypi ~ # echo "1" >/sys/class/gpio/gpio248/value; # LED gaat aan
root@raspberrypi ~ # echo "0" >/sys/class/gpio/gpio248/value; # LED gaat weer uit
root@raspberrypi ~ # echo "1" >/sys/class/gpio/gpio248/value

Voor het cross-compileren van de kernelmodule kan je terecht op deze pagina: elinux.org/RPi_Kernel_Compilation. Met rpi-update zorg je ervoor dat je de laatste versie van de kernel geinstalleerd hebt. Nadat je rpi-update hebt uitgevoerd moet je de rpi herstarten om de nieuwe kernel te laden. Je hebt dan dezelfde kernel geladen als de broncode die je uitcheckt bij git://github.com/raspberrypi/linux.git.Voer na het uitvoeren van "oldconfig" het volgende uit en selecteerd de kernel module voor de driver om ervoor te zorgen dat deze ook gecompileerd wordt:

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=${CCPREFIX} menuconfig

Seriële poort

Boot-voortgang en Console

Op de P1 connector zit ook een seriële poort, dat wil zeggen een RxD en TxD pin (receive en transmit data, respectievelijk pin 10 en pin 8). Deze pinnen zijn niet compatibel met een RS-232 seriële poort op een PC/laptop, maar zijn geïnverteerd en slechts 3.3 Volt (in plaats van de plus en min 5 .. 25 Volt van een echte RS232). Ik wilde hem toch aan de pC hangen om te testen, en had nog een FTDI serieel-naar-USB converter liggen (niet precies die, maar ok), die dat aan kan; alternatief kan je bijvoorbeeld met een MAX232 naar echte RS-232 signalen (klassieke serial port) over gaan voor oudere computers.

Door nu op de PC met bijvoorbeeld GtkTerm de verbinding op te zetten (met mijn FTDI-oplossing, poort /dev/ttyUSB0, baudrate 115200) krijg je een 'console'-scherm te zien waarop je ook op de Raspberry Pi kunt inloggen (in plaats van bijvoorbeeld via Ethernet en SSH). Ook krijg je hier bij het booten het hele boot-process te zien, handig als je iets overhoop gehaald hebt en het systeem niet meer lijkt te starten.

Poort in eigen programma's

Maar wat nu als je de seriële poort voor iets anders wilt gebruiken, bijvoorbeeld voor aansturing van een serieel home control system? Hoe koppel je de poort los van de console-software? Dit staat beschreven op "Using the Raspberry Pi’s serial port". In het kort twee stappen, aanpassen van /boot/cmdline.txt (verwijder console=ttyAMA0,115200 kgdboc=ttyAMA0,115200) om tijdens booten de poort niet te gebruiken, en aanpassen van /etc/inittab (comment out de regel met 2:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100) zodat de console niet wordt herstart op de seriële poort. Dan kan je bijvoorbeeld op de Raspberry minicom installeren om de verbinding te testen.

sudo apt-get install minicom ; Raspberry Pi 1, al OK voor 3
sudo minicom -b 9600 -o -c on -D /dev/ttyAMA0
# of: sudo chmod 666 /dev/ttyAMA0; minicom -b 9600 -o -D /dev/ttyAMA0

Met mijn serial-naar-USB converter op mijn PC aangesloten en daar GtkTerm gestart (/dev/ttyUSB0, baudrate 9600), werkt! (Ps: kan nodig zijn om de hardware flow control uit te zetten als lijnen als DSR niet aangesloten zijn: start minicom met ook de -s parameter, ga naar 'Serial Port Setup', keuze F -> No). De poort is nu dus vrij voor eigen applicaties. Uitleg over gebruik van de seriële poort in Linux is onder andere te vinden op "Serial Port Programming in Windows and Linux". En een voorbeeld van UART programming op de Raspberry helpt ook.

Serial port op de raspberry Pi 3

Helaas is de Raspberry Pi 3 wat ingewikkelder. Dit komt omdat standaard de ttyAMA0 UART poort voor Bluetooth BLE gebruikt wordt... In plaats daarvan is er nu een software UART ('mini UART' ttyS0) aan pin 8 (TxD) en 10 (RxD) geknoopt. Om de UART op de oude manier te gebruiken moet je een 'device tree overlay' genaamd pi3-miniuart-bt installeren, die de UART op de ouderwetse manier gebruikt. Op Raspberry Pi 3 UART Boot Overlay staat dit beschreven. Let op, hangt af van welke Raspbian release je gebruikt! Als je nu pin 8 en 10 met elkaar verbindt (jumpertje), en minicom start zoals hierboven beschreven, moet elk karakter dat je typt ook weer op het scherm te zien zijn --> ja, lukt!

Uiteraard werkt nu Bluetooth niet meer, maar op dit moment is voor mij de seriële poort belangrijker. De software UART heeft ook als nadeel dat bij verandering van de kloksnelheid van het videoblok (bijvoorbeeld als de Raspberry warm wordt) de UART klok ook verandert, waarmee je dus je verbinding kwijt raakt. Ook dit is weer te corrigeren, bijvoorbeeld door de kloksnelheid vast te zetten (en /lib/systemd/system/hciuart.service bij te werken, zoek in de overlay GitHub readme), maar dit is voor mij van later zorg.

Ps: uitschakelen van BT en/of Wifi wordt in deze post behandeld: How to disable the Pi3's WLAN & Bluetooth ?

Raspberry Temperatuur-sensor

De Raspberry heeft overigens ook een ingebouwde temperatuursensor, en ook spanningssensoren etc; uit te lezen met de VideoCore driver VCHIQ.

sudo /opt/vc/bin/vcgencmd measure_temp; # geeft b.v.: temp=45.6'C (rust, 18°C kamer)
sudo /opt/vc/bin/vcgencmd measure_volts; # volt=1.2000V

Hier meer informatie over beschikbare vcgencmd commando's. Om dit ook als gewone gebruiker te kunnen doen moet je wat extra instellingen doen (en een reset):

sudo echo 'SUBSYSTEM=="vchiq",GROUP="video",MODE="0660"' > /etc/udev/rules.d/10-vchiq-permissions.rules
sudo usermod -a -G video kees; # zelf toevoegen aan de groep 'video'