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Raspberry Pi mit PiFace Digital Bearbeiten

Beschreibung Bearbeiten

Bei dem Miniaturcomputer Raspberry Pi handelt es sich um einen vollwertigen Rechner, der jedoch durch seine besonderen Schnittstellen wie GPIO leichter mit seiner Umwelt interagieren kann als es bei "normalen" Rechnern der Fall ist. Somit lassen sich Pins belegen, die entweder Daten von Sensoren empfangen oder Daten an Aktoren verschicken. Jedoch sind die Sensoren und Aktoren nicht im Lieferumfang enthalten, können aber jede denkbare Form haben, die mit dem Raspberry Pi kommunizieren kann. Erhältlich ist der Raspberry Pi ab etwa 30€.

Das PiFace bildet eine erweiterte Schnittstelle für den Raspberry Pi, da hierbei die Aktoren, Sensoren und Spannungsquellen voneinander getrennt werden. Desweiteren können die Verbindungen über Lüsterklemmen angeschlossen werden, was das Löten oder Verwenden von anderem zusätzlichen Bauteilen erspart. Außerdem ermöglicht das PiFace die Verwendung von höheren Spannungen als dies vom Raspberry Pi vorgesehen ist. Erhältlich ist das PiFace Digital ebenfalls ab etwa 30€.

Kurzübersicht Bearbeiten

Name
Raspberry Pi mit PiFace
Kurzbeschreibung
Mit dem Raspberry Pi und dem PiFace Digital kann man über einen normalen Rechner direkt mit seiner Umwelt agieren und kann dafür jede erdenkliche Art von Aktoren und Sensoren benutzen.
Schlagwörter
PiFace, Raspberry Pi, Interface, Miniaturrechner
Klassenstufen
Sekundarstufe II, möglicherweise auch früher
Fachliche Voraussetzungen
keine
Programmiersprachen
Python und Shellskript, aber auch andere Programmiersprachen sind möglich
geeignete Betriebssysteme
hauptsächlich Linux als Betriebssystem auf dem Raspberry Pi (e.g. Raspbian als Debian-Distribution), zum Arbeiten eignet sich beinahe jedes Betriebssystem mit dem man entweder mit einem SD-Slot auf die Speicherkarte oder per SSH direkt auf den Raspberry zugreifen kann
Erscheinungsjahr
Raspberry Pi: 2006, PiFace: vermutlich 2012
Webseite
Raspberry Pi, PiFace Digital

Ziele und Besonderheiten Bearbeiten

Das Raspberry Pi wurde ursprünglich entwickelt um der sinkenden Anzahl an Informatikstudenten an der Universität Cambridge entgegen zuwirken, indem man einen Rechner zur Verfügung stellt, der eine klare und einfach Struktur hat, mit dem man ebenso leicht eigene Ideen umsetzen kann und der aufgrund des niedrigen Preises für jeden erschwinglich ist. Somit sollte insbesondere Jugendlichen die Möglichkeit geboten werden, sich schon frühzeitig mit Rechnersystemen auseinander zu setzen, die Prinzipien kennen zu lernen und Programmieren zu erlernen. Es ging also um einen spielerischen Erwerb von in der Informatik relevanten Fähigkeiten. Aufgrund eben dieser Eigenschaften, hat er sich aber auch in vielen anderen Bereichen etabliert und ist allgemein bei Bastlern und an der Informatik interessierten Menschen beliebt.

Der Raspberry Pi besitzt eine Menge an nutzbaren Anschlüssen, wobei es sich konkret um folgende handelt:

  • USB-Anschluss
  • Videoausgabe via FBAS (Anschluss für üblicherweise Fernsehgeräte) und HDMI
  • Tonausgabe über eine 3,5mm-Klinke (analog) oder über HDMI (digital)
  • GPIO-Pins für die direkte Steuerung von Sensoren und Aktoren
  • zwei CSI-Schnittstellen für die Kommunikation mit Kameras
  • SD-Kartenleser für entsprechende Karten, auf denen das Betriebssystem nebst gespeicherter Daten liegen

Typen Bearbeiten

Es gibt momentan zwei Modelle des Raspberry Pis: einerseits den Raspberry Pi Modell A, andererseits den Raspberry Pi Modell B, welcher im Gegensatz zum Modell A 512 MB Arbeitsspeicher (statt 256 MB), zwei USB-Anschlüsse (statt einem) und zusätzlich einen Ethernet-Anschluss besitzt.

Schnittstellen Bearbeiten

In diesem Abschnitt werde ich mich auf jene Anschlüsse beschränken, die spezifisch für den Raspberry Pi respektive das PiFace Digital sind. Somit enthalte ich Informationen über USB, Ethernet e.g. bewusst vor, da diese sich nicht von den üblichen Schnittstellen unterscheiden.

Schnittstellen des Raspberry Pis Bearbeiten

Schnittstelle I/O Verwendung
GPIO Input/Output Dieser Anschluss besteht aus 26 Pins, die wie folgt verwendet werden können:
  • zwei Pins die als 5V-Spannungsquelle, aber auch als Spannungsquelle für den Raspberry Pi (e.g. über Batterien) genutzt werden können
  • zwei Pins als 3,3V-Spannungsquelle
  • ein Pin als Masse
  • vier Pins, die momentan ebenfalls als Masse genutzt werden, deren Verwendung sich aber noch ändern kann
  • 17 Pins, die frei programmierbar sind

Zu beachten ist, dass es Unterschiede der Pin-Positionen gibt zwischen den einzelnen Revisionen. Deshalb sollte man sich vor der Verwendung noch einmal genau darüber informieren, mit welcher Revision man arbeitet. Ansonsten könnte es zu Kurzschlüssen und somit dem entgültigen Verlust von einzelnen Pins kommen.

CSI Input Wird verwendet um Daten von (hochauflösenden) Kameras entgegen zu nehmen und dann mit dem Raspberry Pi zu verarbeiten. Entsprechende Python-Bibliotheken wie Python PiCamera existieren bereits und ermöglichen eine einfache Verwendung der Kamera. Allerdings sollte man beachten, dass das PiFace Digital diese Anschlüsse verdeckt und man diese somit entweder nicht verwenden kann oder man eine Möglichkeit finden muss, um die Anschlüsse für das PiFace Digital so mit dem Raspberry Pi zu verwenden, dass die Anschlüsse für das CSI nutzbar sind.

Schnittstellen des PiFace Digital Bearbeiten

Bei der Verwendung des PiFace Digital muss man beachten, dass einerseits das GPIO verwendet wird und somit nicht mehr zur Verwendung für andere Zwecke bereit steht, andererseits beide CSI-Anschlüsse verdeckt werden.

Schnittstelle I/O Verwendung
Inputs/Schalter Input Das PiFace Digital besitzt acht Eingänge und einen Masseanschluss, wobei die ersten vier Eingänge zusätzlich noch einen Knopf besitzen, mit denen diese an- und ausgeschaltet werden können. Nutzbar sind die Eingänge für jede Art von digitalen Signalen, die höchstens eine Spannung von 5V liefern, also für unterschiedliche Sensoren.
Outputs/LEDs Output Es gibt acht Ausgänge, wobei jeder Ausgang eine Anzeige hat (LED), auf welcher man sehen kann, ob dieser Ausgang momentan verwendet wird. Die Anzeige kann man durch das Entfernen des Jumpers JP7 deaktivieren, wobei jedoch der eigentliche Signalfluss zu den angeschlossenen Aktoren nicht beeinträchtigt wird. Ebenfalls gibt es auch hier einen Masseanschluss. Zum Anschließen eignen sich alle erdenklichen elektrischen Bauteile, die höchstens eine Spannung von 5V als Signal benötigen, also beispielsweise Motoren und LEDs.
Jumper Output Es gibt sieben Jumper, wobei diese unterschiedliche Zwecke erfüllen: Jumper JP1 und JP2 dienen zur Adressierung des PiFace Digital, falls dieses neben anderen verwendet. Üblicherweise ist diese Adresse 0-0, was dem Board mit der Nummer 0 entspricht. Jumper JP3 ist mit dem 5V-Pin des Raspberry Pi verbunden und steuert, ob das Raspberry Pi vom PiFace versorgt wird oder umgekehrt. Hierbei ist erster Fall Standard und entspricht einem gesetzten Jumper. JP4 ist mit dem Spannungsschutz verbunden und sorgt dafür, dass keine höheren Spannungen als 5V weitergegeben werden. Man sollte diesen Jumper entfernen, wenn man von Spannungen größer als 5V ausgeht, die an den Eingängen und Ausgängen anliegen können. JP5 und JP6 sind dafür da, dass man die Spannungsquellen des PiFace deaktivieren kann. Hierbei entspricht ein Fehlen dem deaktivierten Zustand. JP7 dient dazu, dass man alle Ausgänge, die sich direkt auf dem PiFace befinden, deaktivieren kann, also beispielsweise die LEDs und die Spannungsquellen.
Spannungsquellen ...