Raspberry Pi GPIOピンアウト完全ガイド：機能と活用法

Raspberry Piは、オーディオジャック、LED、センサーなどの周辺機器との高い互換性により、ロボット電子工作プロジェクトで必須のマイコンボードです。本記事では、Raspberry PiのGPIOピンアウトの機能を詳細に解説します。

GPIOピンを知る

図1：Raspberry Pi DIY電子ボード

GPIOヘッダーピンはデジタルコンバータとして機能し、オン/オフの2状態を取ります。主要ピンの完全リストは以下の通りです。

5Vピン

Raspberry Piから5V電源出力を供給する出力ピン。一般的にピン2とピン4です。

3.3Vピン

外部コンポーネントへ3.3V電源を供給するピン。ピン1とピン17に割り当てられています。

GND（グランド）ピン

電気回路の近くに配置され、ボードの焼損を防止するグランド接続。電圧測定の基準点でもあります。GPIOヘッダーのグランドピンは、ピン6、9、14、20、25、30、34、39です。

予約済みピン

EEPROMとI2C通信などの代替機能を有効化するためのピン。Raspberry Piの動作に精通していない場合は、これらに機器を接続しないでください。予約済みの代替機能GPIOピンはピン27と28です。

GPIOピンが果たす多様な機能

図2：統合回路基板上のGPIOと電子部品

PWM（パルス幅変調）

GPIOピンはPWMによりデジタル信号をアナログ信号に変換します。全ピンでソフトウェアPWMが可能ですが、ハードウェアPWMはピン12、13、18、19のみ対応。

Raspberry Pi 4のSPI（シリアルペリフェラルインターフェース）ピン

SPIはデバイス（アクチュエータ、センサーなど）とRaspberry Pi間の通信を実現。マスター・スレーブバスプロトコルで通信し、MOSI（Master Out Slave In）で外部デバイスへデータ送信、MISO（Master In Slave Out）で外部デバイスからデータ受信を行います。

シリアルポートには最低5つのGPIOポート（MISO、MOSI、GND、CE、SCLK）が必要。CEピンは回路統合のイネーブル/ディセーブル、SCLKピンはSPI通信のクロック役割を果たします。

Raspberry Pi 4のI2C（インターコネクト）ピン

図3：Raspberry Pi Pico

I2CチップセットGPIOピンでRaspberry Piモデルのペリフェラルデバイスを制御可能。SCL（シリアルクロック）とSDA（シリアルデータ）GPIOポートが必須。EEPROM（電気的消去プログラマブルROM）データの送信も可能です。

SDA経由のデータ転送にはGPIOコネクタピン2、SCLとしてのデータ速度制御にはGPIO 3物理ピン、EEPROM用のデータ転送にはGPIOコネクタピン0、追加のデータ速度制御にはGPIOコネクタピン1を使用します。

Raspberry Pi 4のUARTピン

UART（汎用非同期受信送信機）ではビット単位の逐次データ伝送を行います。送信機と受信機が必要で、GPIO 14（送信側）とGPIO 15（受信側）が割り当てられています。

ピンアウトを取得してRaspberry Piを動かすには？

図4：Raspberry Piシングルボード

まず使用しているRaspberry PiのGPIOバージョンを特定し、ピンアウトを理解する必要があります。バージョンはRaspberry Pi 1、2、3、4があります。

Raspberry Pi 1

初期版は26ピンGPIOヘッダー。第2リビジョンではCPU変更に伴いGPIOポート番号が変更されました。主な違いはI2CピンのBCM番号が0→2、1→3に変更された点です。

Raspberry Pi 2、3、4

全アドオンボードで40ピンGPIOヘッダーを採用。Pi 2とPi 3は最初の26ピンで互換性があります。Pi 2以降は機能拡張のため追加GPIOピンを搭載。例えば追加の24ピンでI2CやSPIなどのシリアルプロトコルをサポートしています。

カラーコード、信号名、SPIバスピン名でGPIOハードウェアパーツを識別可能。これらのコーディングを確認すると、Raspberry PiのリモートGPIO設定に役立ちます。

結論

Raspberry Piは豊富なチップセットGPIOピンを持つ貴重なプロダクション/アダプタボードです。主要なピンを各GPIOドライバモデル向けに解説しました。さらなるご質問はお気軽にお問い合わせください。