RaspberryPiセンサー

この記事では、ルシガイヤール 、Raspberry Pi Sensorsの著者は、RasPiプロジェクトを構築するために必要な基本的な要件を確認できます。電子機器なしでは1日も過ごすことはできませんね。歯ブラシから車、航空機や宇宙船まで、電子機器はいたるところにあります。この記事は、RasPiでの作業中に非常に役立つ電子機器の概念を理解するのに役立ちます。

あなたは多くの電子関連の本を読んだことがあるかもしれません、そしてあなたが本当にプロジェクトを作成したり構築したいときにそれらはあなたを概念に飽きさせたかもしれません。エレクトロニクスとその応用について説明するのには理由があるに違いないと思います。

電子機器について理解したら、電子部品間の通信とそれを行うためのさまざまな技術に関する通信プロトコルとその使用法について説明します。 RasPiでGPIOの操作を開始する前に、役立つヒントと注意事項を示します。次に、GPIOの機能を理解し、シェル、Python、およびCコードを使用してLEDを点滅させます。

エレクトロニクスの基本のいくつかをカバーしましょう。

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電子機器の基本的な用語

エレクトロニクスの世界で使用される多くの用語があります。ハードウェアからソフトウェアまで、驚くべき製品やプロジェクトを作成するために使用される何百万もの概念があります。 RasPiは、豊富な電子コンポーネントが組み込まれたシングルボードコンピューターであるため、GPIOポートを介して接続されたさまざまな電子デバイスを非常に快適に制御およびインターフェイスできます。一般に、電子機器について話すとき、それはハードウェアまたはいくつかの集積回路で構成された回路にすぎません。 （ IC ）さまざまな抵抗、コンデンサ、インダクタ、およびその他の多くのコンポーネントを使用します。しかし、常にそうであるとは限りません。プログラム可能なICを使用してハードウェアを構築する場合、内部プログラミング（ソフトウェア）にも注意を払う必要があります。たとえば、マイクロコントローラーやマイクロプロセッサー、またはRasPiの場合でも、プログラムをICにフィードして（技術的には、プログラムを永続的に書き込み/ダンプして）、ICの電源を入れたときに、プログラムし、私たちが望むように動作します。これが、ロボット、洗濯機、その他の家電製品の仕組みです。これらのアプライアンスはすべて、アプリケーションに応じて設計が複雑になります。ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方で実行できる機能がいくつかあります。設計者は、両方を実験してトレードオフを分析する必要があります。たとえば、デコーダ機能はソフトウェアで記述でき、論理ICを接続することでハードウェアに実装することもできます。開発者は、これらの種類の関数を設計するために、速度、サイズ（ハードウェアとソフトウェアの両方）、複雑さ、およびその他の多くのパラメーターを分析する必要があります。これらの理論を議論するポイントは、電子機器がどれほど複雑になる可能性があるかについてのアイデアを得ることです。 RasPiプロジェクトを構築する際に頻繁に必要になるため、これらの用語を知っておくことが非常に重要です。

誰が電圧を発見したのですか？さて、それは今は重要ではありません。最初にそれを理解しましょう。基本的な概念は、水の流れの背後にある物理学に従います。水は2つの方法で流れることができます。 1つは滝（たとえば、山の頂上から地面まで）で、もう1つはウォーターポンプを使用した強力な流れです。電圧を理解する背後にある概念は似ています。電圧は2点間の電位差です。つまり、電圧差により、高い電位から低い電位への電荷（電子）の流れが可能になります。前の例を理解するために、滝と比較できる稲妻と、ウォーターポンプと比較できるバッテリーについて考えてみましょう。バッテリーが回路に接続されている場合、バッテリー内の化学反応により、正の端子から負の端子に電荷が流れます。電圧は常にボルト（V）で表されます。単三電池セルは通常3Vを供給します。ちなみに、電圧という用語は、当時バッテリーセルとして知られていたボルタ電池を発明した偉大な科学者アレッサンドロボルタにちなんで名付けられました。

電流は電荷（電子）の流れです。電圧差が生じると、電流が正（高い）端子から負（低い）端子に固定方向に流れます（従来の電流と呼ばれます）。電流はアンペア（A）で測定されます。電子電流はバッテリーのマイナス端子からプラス端子に流れます。混乱を防ぐために、バッテリーまたは電源のプラス端子からマイナス端子に流れる従来の電流に従います。

オックスフォード辞書の「抵抗する」という言葉の意味は、「止めようとするか、防ぐこと」です。定義が言うように、抵抗器は単に電流の流れを防ぎます。抵抗器に電流が流れると、抵抗器に電圧降下が発生します。この低下は、抵抗を流れる電流の量と抵抗の値に直接依存します。オームの法則（ V =I * R ）とも呼ばれる、抵抗器の両端（または回路内）の電圧降下量を計算するために使用される式があります。 ）。抵抗はオーム（Ω）で測定されます。この例で抵抗がどのように計算されるかを見てみましょう。抵抗が10Ωで、抵抗から流れる電流が1Aの場合、抵抗の両端の電圧降下は10Vです。別の例を次に示します。5V電源にLEDを接続する場合、過電流によるLEDのブローオフを防ぐために、LEDと直列に330Ωの抵抗を接続します。抵抗器はその中の電圧をいくらか落とし、LEDを保護します。プロジェクトの開発には、抵抗器を幅広く使用します。

抵抗器は熱の形でエネルギーを放散します。それとは対照的に、コンデンサはその2つの導電性プレートの間にエネルギーを蓄えます。多くの場合、コンデンサは、フィルタ回路で供給される電圧をフィルタリングし、増幅器回路で明瞭な音声を生成するために使用されます。静電容量の概念を説明するのはこの記事には多すぎるので、要点を説明しましょう。エネルギーを蓄えるためのバッテリーがあるのに、なぜ回路にコンデンサーを使用する必要があるのでしょうか。回路にコンデンサを使用することにはいくつかの利点があります。多くの本は、それがフィルターまたはサージサプレッサーとして機能することを教えてくれ、パワースムージング、デカップリング、DCブロッキングなどの用語を使用します。私たちのアプリケーションでは、センサー付きのコンデンサーを使用すると、マイクロプロセッサーがその電圧値を読み取るのに十分な時間を確保できるように、コンデンサーは電圧レベルをしばらく保持します。センサーのデータは大きく異なります。誤った計算を避けるために、マイクロプロセッサがその値を読み取っている限り、安定している必要があります。コンデンサの保持時間はRC時定数に依存します。これは実際に使用するときに説明されます。

ここで、注意すべき興味深い点があります。端子に電圧があり、端子間にコンポーネントが接続されていない場合、電流は流れません。これは、しばしば開回路と呼ばれます。対照的に、コンポーネントの有無にかかわらず2つの端子が接続され、電荷が流れることが許可されている場合、それは短絡、接続回路、または閉回路と呼ばれます。

警告は次のとおりです。バッテリー、アダプター、充電器などの電源装置の2つの端子を短絡（直接接続）しないでください。これにより、火災による損傷やコンポーネントの故障などの重大な損傷が発生する可能性があります。抵抗のない導線を接続する場合、オームの法則がどのようになるかを見てみましょう。R=0Ω、I =V / 0、つまりI =∞A。理論的には、これは無限（数えられない）と呼ばれ、実際には、火または爆発を意味します！

電気理論では、コンポーネントを流れる電流がパスに分割されない場合、それは直列接続です。また、各コンポーネントを流れる電流が同じである場合、それらのコンポーネントは直列であると言われます。すべてのコンポーネントの電圧が同じである場合、接続は並列であると言われます。回路では、直列接続と並列接続を組み合わせることができます。したがって、回路は純粋に直列または並列回路ではない場合があります。次の図に示す回路を調べてみましょう。

一見、この図は多くの表記法で複雑に見えますが、各コンポーネントを個別に見てみましょう。左の図は、コンポーネントの直列接続です。バッテリーは電圧を供給します （ V ）および現在 （私 ）。電流の方向は時計回りで示されています。説明したように、直列接続では、すべてのコンポーネントを流れる電流は同じですが、すべてのコンポーネントの電圧値は異なります。したがって、 V =V1 + V2 + V3 。たとえば、バッテリが12Vを供給する場合、各抵抗の両端の電圧は4Vです。各抵抗を流れる電流は4mAです（ V =IR であるため） および R =R1 + R2 + R3 =3K 。

右の図は並列接続を表しています。ここでは、各コンポーネントは同じ電圧を取得しますが、電流は異なるパスに分割されます。バッテリーのプラス端子から流れる電流はIで、I1とI2に分けられます。 I1が次のノードに流れるとき、それは再び2つの部分に分割され、R5とR6を通過します。したがって、並列回路では、 I =I1 + I2 。電圧はすべての抵抗器で同じままです。たとえば、バッテリが12Vを供給する場合、すべての抵抗器の両端の電圧は12Vですが、すべての抵抗器を流れる電流は異なります。並列接続の例では、各回路を流れる電流は、分流の法則を適用して計算できます。計算してみてください！

直列回路と並列回路の組み合わせがある場合、より多くの計算と分析が必要になります。キルヒホッフの法則、ノード、およびメッシュ方程式を使用して、このような種類の回路を解くことができます。これらはすべて複雑すぎて、この記事では説明できません。標準的な回路理論関連の本を参照して、専門知識を得ることができます。

キルヒホッフの現在の法則：電気回路の任意のノード（接合部）で、そのノードに流入する電流の合計は、そのノードから流出する電流の合計に等しくなります。

キルヒホッフの電圧法則：閉じたネットワーク周辺の電位差（電圧）の直接合計はゼロです。

プルアップ抵抗とプルダウン抵抗は、電子システム設計における重要な用語の1つです。タイトルにあるように、プル抵抗にはプルアップとプルダウンの2種類があります。どちらも同じ機能を備えていますが、違いは、プルアップ抵抗が端子を供給された電圧にプルし、プルダウン抵抗が端子をグランドまたはコモンラインにプルすることです。プル抵抗をノードまたは端子に接続することの重要性は、その特定の端子に入力がない場合に、論理レベルをデフォルト値に戻すことです。プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗を含めることの利点は、回路がノイズの影響を受けやすくなることと、ロジックレベル（1または0）を（ノイズによる）電圧の小さな変動から変更できないことです。ターミナル。次の図に示す例を見てみましょう。これは、NOTゲートを使用したプルアップの例を示しています（NOTゲートはOUT端子に反転出力を提供します。したがって、論理1が入力の場合、出力は論理0になります）。プルアップ抵抗がある場合とない場合の影響を検討します。プルダウン抵抗についても同じことが言えます。

一般に、論理ゲートは入力端子のインピーダンスが高いため、入力端子に接続がない場合はフローティングと呼ばれます。さて、前の図では、スイッチが開いている（OFF状態）と入力端子がフローティングのままになり、ノイズによってNOTゲートの入力状態が変化する可能性があるため、左端の接続はお勧めしません。ノイズの理由は何でもかまいません。開いている端子でさえアンテナとして機能し、NOTゲートのピンにノイズを発生させる可能性があります。真ん中の回路は抵抗のないプルアップ回路であり、使用しないことを強くお勧めします。この種の接続はプルアップと呼ぶことができますが、決して使用しないでください。スイッチが閉じている（オン状態）と、VCCはグランドへの直接パスを取得します。これは短絡と同じです。大量の電流がVCCからグランドに流れ、これにより回路が損傷する可能性があります。

右端の図は、電圧降下が発生する抵抗があるため、プルアップするための最良の方法を示しています。スイッチが開いている場合、NOTゲートの端子はデフォルトのVCCにフロート（プルアップ）されます。スイッチを閉じると、NOTゲートの入力端子がグランドに接続され、論理ゼロ状態になります。今回は、抵抗を流れる電流は公称値になります。たとえば、 VCC =5V、R7 =1K、およびI =V / Rの場合 、次にI =5mAであり、これは安全な領域にあります。プルダウン回路の例では、スイッチと抵抗の間に交換がある可能性があります。抵抗はグランドとNOTゲートの入力端子の間に接続されます。センサーやICを使用する場合、データシートや技術マニュアルにプルダウンまたはプルダウンを使用する表記がある場合は、必要に応じて使用することをお勧めします。

通信プロトコル

これまで多くの理論がありました。マイクロプロセッサの周辺機器として、ICやデジタルセンサーを含む多数のコンポーネントが存在する可能性があります。周辺機器には大量のデータが含まれている可能性があり、プロセッサに送信する必要がある場合があります。彼らはどのようにコミュニケーションを取りますか？プロセッサは、データが入力され、センサーによって送信されていることをどのように理解しますか？ ICとマイクロプロセッサの間には、シリアルまたはパラレルのデータライン接続があります。パラレル接続はシリアル接続よりも高速ですが、8、16、またはそれ以上の回線が必要になるため、あまり好ましくありません。 PCIバスは、パラレル通信の一例です。通常、複雑な回路や高密度の回路では、プロセッサは多くの周辺機器に接続されます。その場合、追加の単一ICを接続するための空きピン/ラインをそれほど多く持つことはできません。シリアル通信には、使用するプロトコルに応じて最大4本の回線が必要です。それでも、シリアル通信がパラレルよりも優れているとは言えませんが、ピン数が少ない場合はシリアルが推奨されます。シリアル通信では、データはフレームまたはパケットを介して送信されます。大きなデータはチャンクに分割され、フレームまたはパケットによって回線を介して送信されます。さて、プロトコルとは何ですか？プロトコルは、ICをマイクロプロセッサに接続する際に従う必要のある一連のルールであり、接続に限定されません。このプロトコルは、データフレーム構造、フレーム長、電圧レベル、データタイプ、データレートなども定義します。 UART、FireWire、イーサネット、SPI、I2Cなどの多くの標準シリアルプロトコルがあります。 RasPi 1モデルB、A +、B +、およびRasPi 2モデルBには、拡張ポートで使用可能な1つのSPIピン、1つのI2Cピン、および1つのUARTピンがあります。これらのプロトコルを1つずつ見ていきます。

UARTは、ほとんどすべてのPCまたはマイクロプロセッサに見られる非常に一般的なインターフェイスまたはプロトコルです。 UARTは、Universal Asynchronous Receiver andTransmitterの省略形です。これはRS-232規格としても知られています。このプロトコルは全二重であり、通信の特定のインスタンスの電気的、機械的、および物理的特性を含む完全な標準です。データをバスで送信する場合は、RS-232バスレベルに合わせてデータレベルを変更する必要があります。さまざまな電圧がバス上の送信機によって送信されます。 3Vより大きい電圧値は論理0であり、-3V未満の電圧値は論理1です。 -3V〜3Vの値は、未定義の状態と呼ばれます。マイクロプロセッサはデータをトランジスタ-トランジスタロジックに送信します （ TTL ） レベル;バスに送るときは、電圧レベルをRS-232規格まで上げる必要があります。これは、マイクロプロセッサの論理レベル（0Vおよび5V）からこれらのレベルに電圧を変換して戻すには、MAX232などのレベルシフターICが必要であることを意味します。データは、DB9コネクタとRS-232ケーブルを介して送信されます。レベルシフトは、長距離のコミュニケーションに役立ちます。

これらの追加のレベルシフターICなしで接続する必要がある場合はどうなりますか？次の図に示すように、この接続はNULL接続と呼ばれます。送信機の送信ピンと受信ピンが相互接続されており、接地ピンが共有されていることがわかります。これは、短距離通信に役立ちます。 UARTでは、ボーレート（1秒あたりに転送されるシンボル）が送信機と受信機の間で一致することが非常に重要です。ほとんどの場合、ボーレートとして9600または115200を使用します。 UART通信の一般的なフレームは、スタートビット（通常は0で、データストリームが開始されようとしていることを受信者に通知します）、データ（通常は8ビット）、およびストップビット（通常は1で、送信が開始されることを受信者に通知します）で構成されます。以上）。

詳細については、RaspberryPiセンサー

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