Raspberry pi 3 модули расширения. Raspberry Pi для домашней автоматизации

Мегагерц много не бывает — процессор Raspberry Pi 3 B+ разогнан до 1,4 ГГц. Ускорились сетевые интерфейсы, а ещё появилась поддержка Power over Ethernet.

Область применения Raspberry Pi ограничена лишь вашими знаниями и фантазией.

Автоматизируйте дом или воспользуйтесь этим крошечным компьютером для создания:

• робота с управлением по Wi-Fi или обладающего компьютерным зрением
• эмулятора игровой консоли
• домашней метеостанции
• охранной системы с распознаванием лиц

Компьютер размером с банковскую карту имеет на борту привычные ПК составляющие: процессор, оперативную память, разъём HDMI, композитный выход, USB, Ethernet, Wi-Fi и Bluetooth.

Главное преимущество Raspberry Pi — 40 контактов ввода/вывода общего назначения (GPIO). К ним вы сможете подключать периферию для взаимодействия с внешним миром: исполнительные устройства, любые сенсоры и всё, что работает от электричества.

Штатной операционной системой для Raspberry Pi является Linux. Она устанавливается на microSD карту, а та — в специальный слот на плате. Если вы не знаете Linux, не пугайтесь. Этот компьютер — прекрасная возможность во всём разобраться. Потерять данные или сильно напортачить с настройками не так страшно, образ на SD-карте можно восстановить за считанные минуты. После этого — смело продолжайте эксперименты!

Версия платы

Raspberry Pi 3 Model B+ это модернизированная версией Raspberry Pi 3 Model B.

64-х битным четырёхядерным процессором ARM Cortex-A53 разогнан с 1,2 ГГц до 1,4 ГГц. На борту модернизированные беспроводные интерфейсы Wi-Fi 802.11n и Bluetooth 4.2/LE.

Кроме того, процессор имеет архитектуру ARMv53, а значит вы сможете использовать любимую операционную систему: Debian Wheezy, Ubuntu Mate, Fedora Remix и даже MS Windows 10 IoT.

Raspberry Pi 3 Model B+ наделили 1 ГБ оперативной памяти, но эта память делится с графической подсистемой. Графический двухъядерный процессор VideoCore IV® поддерживает стандарты OpenGL ES 2.0, OpenVG, MPEG-2, VC-1 и способен кодировать, декодировать и выводить Full HD-видео (1080p, 30 FPS, H.264 High-Profile).

Подключение периферии

Для подключения монитора или телевизора используйте композитный видеовыход или разъём HDMI. Разрешение варьируется от 640×350 (EGA) до 1920×1200 (WUXGA) для HDMI. Композитный выход работает в форматах PAL и NTSC.

Колонки или наушники подключаются через стандартное гнездо 3,5 мм. Также звук может передаваться по HDMI.

Raspberry Pi 3 Model B+ предоставляет 4 USB-порта, объединённых внутренним хабом. К ним, помимо прочего, можно подключить клавиатуру и мышь.

Для экономии ресурсов центрального процессора, Raspberry Pi предлагает подключения штатных модулей через 15-пиновые слоты:

• CSI-2 — для подключения камеры по интерфейсу MIPI
• DSI — для подключения штатного дисплея

В качестве низкоуровневых интерфейсов доступны:

• 40 портов ввода-вывода общего назначения
• UART (Serial)
• I²C/TWI
• SPI с селектором между двумя устройствами
• пины питания: 3,3 В, 5 В и земля

Для коммуникации на Raspberry Pi 3 Model B доступны интерфейсы:

Ethernet на 10/100/1000 Мбит с выходом на стандартное гнездо 8P8C (RJ45); Wi-Fi 802.11n и Bluetooth 4.2.

Питание

Питание Raspberry Pi 3 осуществляется от 5-вольтового адаптера через разъём micro-USB или пины питания. Рекомендуем использовать источник питания с силой тока не менее 2,4 А, чтобы иметь возможность подключать к USB-портам более энергоемкие устройства.

Аппаратный выключатель питания на плате отсутствует. Для включения компьютера достаточно подключить кабель питания. Для выключения используйте штатные функции операционной системы.

Габариты

Размер платы: 85×54 мм. USB-порты, Ethernet-гнездо, HDMI, аудио-гнездо выступают за обозначенные рамки на несколько миллиметров.

Программное обеспечение

Вместо традиционного для обычных компьютеров жёсткого диска, Raspberry Pi использует microSD флеш-карту. Она должна быть предварительно подготовлена — на неё следует установить операционную систему. Имея несколько флеш-карт, вы можете поочерёдно использовать их, получив несколько изолированных образов компьютеров.

Флеш-карта в комплект не входит.

Характеристики

• Процессор: 64-битный 4-ядерный ARM Cortex-A53 с тактовой частотой 1,4 ГГц на однокристальном чипе Broadcom BCM2837
• оперативная память: 1ГБ LPDDR2 SDRAM
• цифровой видеовыход: HDMI
• композитный выход: 3,5 мм (4 pin)
• USB порты: USB 2.0×4
• беспроводная сеть: WiFi 2,4/5 ГГц, 802.11n
• Ethernet: 10/100/1000 Мб RJ45
• Bluetooth: Bluetooth 4.2, Bluetooth Low Energy
• разъем дисплея: Display Serial Interface (DSI)
• разъем видеокамеры: MIPI Camera Serial Interface (CSI-2)
• карта памяти: MicroSD
• порты ввода-вывода: 40
• габариты: 85x56x17 мм

Raspberry Pi - одноплатный компьютер размером с банковскую карту, изначально разработанный как бюджетная система для обучения информатике. Разрабатывается Raspberry Pi Foundation. Всего за пять лет было продано более 15 миллионов устройств Raspberry Pi

Raspberry Pi, 2006

История появления устройств Raspberry Pi начинается в 2006 году, когда появляется прототип ценой $25. На плате установлен микроконтроллер Atmel ATmega644 с частотой 22.1Мгц, и 512K SRAM памяти. 19 из 32 контактов используются для доступа к памяти. Плата может выводить изображение с разрешением 320 × 240 на дисплей.

Raspberry Pi 1 Model B, 2012

Вскоре появляется следующее поколение, размером с кредитную карту и ценой в 35 долларов. Заявленные характеристики:

• Broadcom BCM2835 700MHz ARM1176JZFS с FPU и видео сопроцессором Videocore 4
• Декодер H.264 high-profile с производительностью 1Gpixel/s, 1.5Gtexel/s или 24GFLOPs с фильтрацией текстур и DMA инфраструктурой.
• Объем памяти: 256MB (позднее появилась модификация 512MB)
• Сеть: 10/100-BaseT Ethernet port
• Поддержка порта
• Порты 2.0 в количестве 2 штук
• Порт RCA video
• Слот для SD карты
• Питание через порт microUSB
• Выход аудио: 3.5mm audio out jack
• Размер: 85.6 x 53.98 x 17мм

Raspberry Pi 1 Model A, 2013 год

Следующее поколение выглядело как шаг в сторону доступности и имело следующие характеристики:

• Broadcom BCM2835 700MHz ARM1176JZFS процессор с FPU и Videocore 4 GPU
• Поддержка Open GL ES 2.0, аппаратное ускорение OpenVG и 1080p3D
• Высокопроизводительный графический процессор H.264 способен обрабатывать поток до 1Gpixel / s, 1.5Gtexel / s или 24GFLOP с фильтрацией текстур и инфраструктурой DMA.
• Порт HDMI
• Один порт USB 2.0
• Порт видео RCA
• Слот для SD-карт
• Питание через разъем microUSB
• 3,5-мм аудиовыход
• Возможность подключения камеры
• Размер: 85.6 x 53.98 x 17mm

Raspberry Pi Compute Module, 2014 год

Размеры платы уменьшились, чтобы поместиться на плате размером с модуль памяти. Решение для разработчиков прототипов. Плата имеет тот же чип Broadcom 2835 на базе ARM, что и Raspberry Pi 1 и 512 МБ SDRAM, а также 4 ГБ флэш-памяти eMMC. Модуль представляет собой 200-контактную плату на основе форм-фактора Jedec SODIMM.

Raspberry Pi 1 Model B+

Обновление версии Raspberry Pi Model B - больше мощности, больше USB-портов, более универсальные входные / выходные контакты для расширения возможности платы, аккуратный макет и лучший звук.

• Чип: Broadcom BCM2835 Архитектура SoCCore: ARM11CPU: 700 МГц Процессор приложений с низкой мощностью ARM1176JZFS
• GPU: двухъядерный видеопроцессор VideoCore IV®. Обеспечивает Open GL ES 2.0, аппаратное ускорение OpenVG и высокопроизводительное декодирование H.264 1080p30. Производительность до 1Gpixel / s, 1.5Gtexel / s или 24GFLOP с фильтрацией текстур и инфраструктурой DMA.
• Память: SDRAM 512 МБ
• Операционная система: загрузка с карты Micro SD, работающая под управлением операционной системы Linux. Доступны различные операционные системы на базе Linux, включая NOOBS, Raspbian, Pidora, OpenELEC, RaspBMC. Также доступна Risc OS.
• Ethernet: 10/100 BaseT
• Видеовыход: HDMI (версия 1.3 и 1.4), композитный RCA (PAL и NTSC)

Raspberry Pi 1 Model A+, 2014 год

Миниатюрная версия Raspberry Pi 1 Model A, потребляющая меньше энергии, имеет более универсальные входные / выходные контакты для расширения, использует Micro SD, а не SD и предлагает лучший звук.

• Чип: Broadcom BCM2835 SoC
• Core: архитектура ARM11
• Процессор: 700 МГц с низким энергопотреблением ARM1176JZFS
• GPU: двухъядерный видеопроцессор VideoCore IV. Обеспечивает Open GL ES 2.0, аппаратное ускорение OpenVG и высокопроизводительное декодирование H.264 1080p30. Поток до 1Gpixel / s, 1.5Gtexel / s или 24GFLOP с фильтрацией текстур и инфраструктурой DMA.
• Память: 256 МБ SDRAM
• Размеры: 65 мм x 56 мм / 2,5 "x 2,25"
• Питание: разъем Micro USB 5V, 2A
• Нет Ethernet
• Аудио выход: 3,5 мм разъем, HDMI
• USB: 1 разъем USB 2.0
• Видеовыход: HDMI и композитный
• Звук: стерео / стерео (через 3,5 мм кабель)
• Память: 256MB
• Операционная система: использует слот для карт памяти microSD для загрузки ОС. Доступны различные операционные системы на базе Linux , включая NOOBS, Raspbian, Pidora, OpenELEC, RaspBMC. Также доступно RiscOS.

Raspberry Pi 2 Model B, 2015 год

Raspberry Pi 2 привнес мощность четырехъядерного процессора и 1 ГБ памяти. Отныне появилась возможность запустить ОС Windows 10 IoT Core и Ubuntu.

• 900 МГц четырехъядерный процессор Broadcom BCM2836 с 1 ГБ оперативной памяти DDR2
• Видеосистема VideoCore IV 3D
• Интерфейс ввода/вывода общего назначения : разъем 40-контактный 2,54 мм: 2x20. 27 контактов GPIO, а также линии питания +3,3 В, +5 В и GND
• Слот Micro SD
• Несколько портов: четыре USB-порта, полноразмерный HDMI, четырехполюсный стерео выход и композитный видеопорт. Порт камеры CSI и порт дисплея DSI
• 10/100 BaseT Ethernet
• Источник питания Micro-USB 5V, 2A
• Размеры: 85 x 56 x 17 мм

Raspberry Pi Zero, 2015 год

Несмотря на стоимость в 5 долларов, Pi Zero способна на большее, чем Pi Model B, которая продавалась в 2012 году за 35 долларов.

Плата имеет тот же одноядерный ARM-процессор, что и первая модель B, но она немного быстрее. Системная память остается неизменной.

• Система BCM 2835 на чипе 1 ГГц
• 512 МБ ОЗУ
• micro-SD
• мини-HDMI
• Два порта micro USB - один для питания и один для данных
• Интерфейс ввода/вывода общего назначения : разъем 40-контактный 2,54 мм: 2x20. 27 контактов GPIO, а также линии питания +3,3 В, +5 В и GND
• Совместимость с существующими дополнениями HAT
• Размеры: 65 мм x 30 мм x 5 мм

Raspberry Pi 3 Model B, 2016 год

Raspberry Pi 3 впервые предлагает поддержку ряда . Это первый Pi, основанный на 64-разрядном чипсете и включающий и Bluetooth-соединение. Новейший и быстрый чипсет на 50% лучше, чем у Raspberry Pi 2, и примерно в десять раз лучше, чем оригинальный одноядерный Raspberry Pi в многопоточном CPU (к примеру, в SysBench)

• Чипсет: Broadcom BCM2837
• Процессор: 1,2 ГГц четырехъядерный 64-битный ARM-cortex A53
• Ethernet: 10/100 (максимальная пропускная способность 100 Мбит / с)
• USB: четыре USB 2.0 с передачей данных 480 Мбит / с
• Хранение: карта MicroSD или через USB-накопитель
• Беспроводная связь: 802.11n Беспроводная локальная сеть (максимальная скорость передачи / приема 150 Мбит/с), Bluetooth 4.1
• Графика: 400MHz VideoCore IV
• Память: 1 ГБ LPDDR2-900 SDRAM
• Интерфейс ввода/вывода общего назначения : разъем 40-контактный 2,54 мм: 2x20. 27 контактов GPIO, а также линии питания +3,3 В, +5 В и GND
• Видео: полноразмерный порт HDMI
• Аудио: комбинированный аудиовыход 3,5 мм / композитный видеосигнал
• Интерфейс камеры (CSI)
• Интерфейс дисплея (DSI)

Raspberry Pi 3 Model B+ , 2018 год

Новая Raspberry Pi 3 Model B + является самой мощной разработкой, как в плане производительности процессора, так и в плане скорости Wi-Fi.

Новая плата является более гибкой версией модели Raspberry Pi 3 Model B, использующей многие из тех же спецификаций, но процессор разогнан до 1,4 ГГц (увеличение на 16,7%).

В дополнение к более быстрому процессору, новая плата имеет улучшенную возможность подключения, добавлена поддержка двухдиапазонного 802.11b / g / n / ac Wi-Fi - фактически почти в три раза увеличена пропускная способность Wi-Fi. Увеличена и скорость Ethernet порта.

• Процессор: Broadcom BCM2837B0, четырехъядерный A53 (ARMv8) 64-бит SoC @ 1,4 ГГц
• Память: 1 ГБ LPDDR2 SDRAM
• Возможности подключения: 2,4 ГГц и 5 ГГц IEEE 802.11 b / g / n / ac Wi-Fi, Bluetooth 4.2, BLE. Гигабитный Ethernet через USB 2.0 (максимальная пропускная способность 300 Мбит/с).
• USB: 4 x 2.0
• Интерфейс ввода/вывода общего назначения : разъем 40-контактный 2,54 мм: 2x20. 27 контактов GPIO, а также линии питания +3,3 В, +5 В и GND
• Видео и звук: 1 x полноразмерный порт HDMI, порт дисплея MIPI DSI, порт камеры MIPI CSI, 4-полюсный стерео выход и композитный видеопорт.
• Мультимедиа: декодирование H.264, MPEG-4 (1080p30), кодировка H.264 (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 графика
• Поддержка SD-карт: формат microSD для ОС и хранения данных
• Входная мощность: 5 В / 2,5 А постоянного тока через разъем microUSB, через GPIO или питание через Ethernet (PoE).
• Рабочая температура 0 - 50 ° C

Сводная таблица:

Официально поддерживаемые операционные системы:

• Raspbian рекомендуется для всех тех, кто только начинает знакомиться с Raspberry Pi
• Pidora - Fedora для Raspberry Pi
• OpenELEC медиапроигрыватель Kodi с открытым исходным кодом на базе Linux
• OSMC (проект Open Source Media Center - ранее известен как Raspbmc ) медиапроигрыватель с открытым исходным кодом на базе Kodi Media Center и Debian GNU/Linux
• RISC OS - «родная» ОС для RISC-процессоров (к которым относятся процессоры АRМ)
• поддержка Windows 10 для Raspberry Pi 2B

Для установки операционной системы используется инструмент NOOBS. Также можно скачать образ операционной системы и развернуть его на SD-карточку.

Оставьте свой комментарий!

Raspberry-Pi становится действительно универсальным мини-компьютером.
Предлагаем вашему вниманию доступный по цене и простой в обращении и установке модуль расширения X100, превращающий Ваш Raspberry в мощнейший инструмент, благодаря насыщенной коммуникативности данного модуля и наличия на борту часов реального времени.

Вид X100 сверху: назначение разъёмов и выводов.

Вид платы X100 снизу: место микро SD карточки и Rpi RESET.

Описание интерфейсного модуля X100

Плата расширения X100 предназначена для использования на Raspberry Pi (RPI), которая устанавливается в верхней части Raspberry Pi, имеет стабилизатор питания 5 вольт для RPI, от источника напряжения с широким входным диапазоном и несет на себе: выход VGA, RTC, три USB порта, слот SD карты, слот карты памяти, разъем RS232 DB9, и 8 портов для сервомашинок.

Главное и неоспоримое достоинство это видео-вывод VGA и множество других возможностей Х-100.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ платы расширения X100

Непосредственно вставляемый сверху Raspberry Pi, используя модуль использует GPIO разъем, и не требует проводов, и пайки
.Дублированный 26-контактный разъем R-Pi, позволяет чтобы устанавливать существующие платы расширения
.Входное напряжение от 6 В до 23 В преобразуется в 5 В, 3 А через понижающий DC / DC преобразователь для питания Raspberry Pi

VGA - HDMI конвертер для VGA с поддержкой до UXGA (1600 x 1200) и 1080p с 10-битным ЦАП
.USB - автономный концентратор USB с 3 портами
.Хранение - SD и микро SD разъемы для карт
.RTC - На основе NXP PCF2127AT / PCF2129AT с вставленной батареей CR2032
.Отладка - RS232 DB9 разъем (на чипе MAX3232), используется с нуль-модемным кабелем
.I / O - Кнопка сброса для RPI , контакты для доступа S1 & S5 на вершине Raspberry Pi
.Servo поддержка - 8-канальный чип драйвер (ULN2803)
.Разное - DIP переключатель для подключения контактов RPI
.Размеры - 85 х 56 мм (Точно как Raspberry Pi)
. Этот Модуль подходит для Raspberry Pi Rev 2 модели B .

ПИТАНИЕ

X100 поставляется с встроенным стабилизатором +5 В через разъем GPIO с впаянным 2 A авто восстанавливающимся предохранителем. С широким диапазоном входного напряжения. Стабилизатор может получать питание от широкого спектра внешних источников, таких как батареи, 12 V адаптеры питания, солнечных источников батареи и т.д. Дополнительные +5 В выходы также доступны на серво портах.
Рекомендуемые источники питания: 110 ~ 240 В входного переменного тока, 12 VDC 2 ~ 3 A выходного тока.
Размер выходного отверстия (Блок: мм)

HDMI TO VGA

Описание доступно на http://elinux.org/RPi_Screens#RGB_analog.2FVGA
Любой HDMI в VGA адаптер без внешнего блока питания может работать не большое время, но потом сожжет D1, поэтому не используйте преобразователи HDMI с питанием от порта HDMI! Проблема решается использованием преобразователей только с внешним питанием.
X100 не использует питание от RPI HDMI порта и имеет множество функций.
Характеристики:
. Простота в использовании: Нет необходимости кабеля и установки
. Конверсия: Она может конвертировать полный HDMI в VGA видео
. Поддержка 165 MHz / 1,65 Гбит на канал (6.75 Gbps весь канал) для входа HDMI
. Поддержка выхода Аналоговый видео до UXGA и 1080p с 10-битный ЦАП

RS232 MASTER PORT

Порт RS232 соединен с портом UART на Raspberry Pi с использованием интерфейса MAX3232. MAX3232 преобразует порт 3,3 В UART к RS232 напряжениям и позволяет устанавливать связь с RS232 совместимыми устройствами по последовательному кабелю DB9 или с использованием нуль-модемного кабеля, плата обеспечивает терминальный доступ с Linux на Raspberry Pi, используя приложение терминала. Порт RS232 может быть доступен через порт DB9.

Терминальное приложение - конфигурация PuTTY (COMx, X = Серийный номер порта)

ЧАСЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (RTC)

Предназначены для использования в Raspbian. Это очень точные часы реального времени, которые соединяются через порт GPIO на Raspberry Pi. Они используют контакты GND, SDA и SCL.
Они используют высокоточный чип / PCF2129AT и NXP PCF2127AT:
. Очень точный хронометраж (обычно ± 3 ppm или <2 минуты отклонения в год)
. Интегрированный кристалл, компенсирует температуру и возраст
. Поставляемый аккумулятор будет держать время в течение очень долгого времени, если устройство не используется.
. 512 байт статического ОЗУ, защищенные резервной батареи
. Батарея в комплекте!

ULN2803 8-канальный RC SERVO PORT

Этот чип Драйвер содержит 8 выходов, которые могут обеспечивать 500 мА от выбираемого входного напряжения питания 5 В или постоянного входного тока и имеет на всех выходах диоды включенные внутри для управления катушками. Это позволяет вашим маленьким микроконтроллером или микрокомпьютером питать соленоиды, двигатели постоянного тока (в одном направлении) и униполярные шаговые двигатели.ULN2803 подключаются к входам GPIO через коммутатор DIP, с его выводов собирается два массива Wire-To-Board заголовке. Кроме того, эти порты могут быть использованы для питания +5 В или входного напряжения для другой внешней схемы, или встроенных устройств.
Пожалуйста, обратите внимание, что этот драйвер с «открытым коллектором» - его можно использовать только для подключения нагрузки к земле и будет 1 Вольт (или более) падение напряжения через внутренние транзисторы.

USB HUB И КАРТРИДЕР

Полностью протестированы на совместимость с Raspberry Pi
. Полностью совместим с USB-концентратор спецификации версии 2.0 и обратно совместим со спецификацией USB-концентратор 1.1
. Поддержка трех автономным питанием входных порта
. Очень низкое энергопотребление
. USB класса устройств для Mass Storage, Bulk-транспортного V1.0
. Поддержка SD спецификации до версии. 2.0 (SDHC)
. Оборудование DMA драйвера интегрировано для повышения производительности
Примечание: SD-карта и Micro-SD карта не могут производить чтение / запись одновременно.
X100 также может быть подключен к USB-порту компьютера при помощи прилагаемого USB кабеля, чтобы записать образ ОС на карту SD.

Инсталляцию модуля производите согласно этим картинкам:

HDMI адаптер и USB адаптер поставляются в комплекте.

У нас в хакспейсе есть много разных Raspberry Pi, с помощью которых мы учим детей программировать на python, делать роботов и разные полезные гаджеты. Разумеется, все то же самое делаем и на Arduino. За три года жизни душа в душу с этими крайне отличающимися платформами, у нас появилось несколько идей о том, как правильнее сделать учебного робота, учитывая плюсы и минусы каждой железки. Все эти мысли материализовались в новом устройство, о котором речь и пойдет далее.

По сути, мы спроектировали Arduino-совместимый модуль расширения для RPi, который содержит драйвер двигателя и стабилизатор питания. Понятно, что этот модуль является самодостаточным контроллером для учебного робота, но именно сэндвич RPi+Arduino демонстрирует идеологически правильный подход к созданию роботов. Как эта штука выглядит, какими характеристиками обладает, и где её можно применить читаем далее.

Немного истории

Уже прошло 4 года с момента выпуска в серию Raspberry Pi Model B. В свое время, именно шумиха вокруг RPi отчасти сподвигла нас на создание нашего хакспейса. Ведь первое, что мы начали делать - учить детей робототехнике на RPi. Уже после первых уроков со старшеклассниками на базе Уральской компьютерной школы имени Н.Н.Красовского, мы задумались о своей мастерской-лаборатории, открытой для всех страждущих.

Наши уроки сложились в базовый курс, который в последствии был адаптирован к Arduino. Продолжением этого курса должны были стать конкретные проекты, в которых ребята смогли бы применить полученные знания о работе микроконтроллеров и разных полезных компонентов. Целый класс таких учебных проектов мы посвятили созданию мобильных роботов, как на базе Raspberry Pi, так и на Arduino.

Первый наш робот на базе RPi был создан именно как пособие для работы со школьниками. Это был двухколесный робот, на котором ребята отрабатывали работу с двигателями и разного рода датчиками, попутно готовясь к соревнованиям. В качестве шасси использовался мотор-редуктор фирмы tamiya. Драйвером двигателей служил drv8833 от TI. В варианте для робота LineFollower стояло два самодельных датчика отражения. На верхней палубе робота была установлена беспаечная макетная плата на 400 точек.

Робот показал себя отлично, так что с течением времени платформа примеряла разный обвес. Кроме LineFollower-а, который мы кстати называем следопытом на наш лад, робот носил оптические датчики отражения, ультразвуковые дальномеры, рисовал фломастером на ватмане, наконец, управлялся через wifi, передавая изображение с веб-камеры.

Со временем пришло понимание того, что мотор-редуктор был выбран не самый популярный, да еще и очень шумный. Корпус робота не вмещал всех хотелок, и не был совместим с распространенными конструкторами. А самое главное, появилась идея сделать модуль расширения для RPi, который бы избавил робота от лишних «рутинных» коммуникаций и устройств. Так начался проект колесного робота под кодовым названием MR-K-1, а вслед за ним и MR-K-2. С самого начала мы стали предусматривать посадочные отверстия под обе платформы, и ниже представлена модель робота с Arduino на борту.

Это модификация для битвы, на которой школьники управляя роботом по bluetooth стремятся лопнуть воздушные шарики, закрепленные на вражеской машине. Раму увеличили, мотор-редуктор заменили на распространенный китайский двигатель желтого цвета (а иногда белого). Корпус адаптировали под конструктор multiplo, так что теперь он покрылся квадратными отверстиями. Всё это заняло несколько недель. А вот работа над модулем расширения немного затянулась. И проблема была не столько в сложности реализации, сколько в нехватки времени, усугубленной перфекционизмом:)

Модуль расширения RPiDuino

Главным разработчиком модуля стал Александр Васильев, ведущий крайне полезный блог alex-exe.ru . Ко времени старта проекта у него уже был огромный опыт в разработке драйверов двигателей, стабилизаторов питания, и многих других интересных для роботостроения устройств. Плату было решено назвать RPiDuino, ибо она должна была обеспечить симбиоз Raspberry Pi и Arduino.

Итак, что мы решили разместить на плате.

Модуль должен был взять на себя прямое управление драйвером двигателя, сервоприводами и датчиками. Все это предполагает наличие микроконтроллера. А поскольку мы делаем учебного робота и контроллер этот должен легко прошиваться нашими школьниками, то выбор пал на всем известную atmega328 с arduino-загрузчиком на борту. Наличие atmega делает модуль самодостаточным контроллером для управления небольшими учебными роботами.

Раз на плате появилась атмега, понадобился и USB-UART мост, в качестве которого мы поставили CP2102. Еще одним признаком Arduino-совместимости стали привычные разъемы по бокам платы, позволяющие насаживать сверху модули расширения.

Модуль должен управлять двигателям, поэтому появился соответствующий драйвер. Современные драйверы стали совершенно микроскопических размеров, так что их можно легко уместить на плате без особого ущерба соседним компонентам. Выбрали DRV8833 от Pololu, так как с ними уже был какой-никакой опыт. Драйвер двухканальный, с рабочим током канала - 1А.

Наконец, на плате был просто необходим стабилизатор напряжения. Изначально предполагалось сделать раздельное питание для вычислительной части и для сервоприводов, но мы испытали небольшие проблемы с компоновкой. Так что остался только один стабилизатор LM2596, который питает RPi, микроконтроллер, логическую часть драйвера двигателей и датчики.

Также свое место на плате нашла кнопка коммутации питания и зуммер, с помощью последнего робот жалуется на свои проблемы.

RPiDuino вставляется а GPIO разъем Raspberry Pi, как и все подобные ему модули. Связь atmega328 и RPi осуществляется через UART.

Остальные ноги GPIO выведены насквозь, так что их можно использовать на свое усмотрение.

Таблица ключевых характеристик RPiDuino

Телеуправляемый робот на основе RPi+RPiDuino

Хорошей демонстрацией возможностей RPi служит телеуправляемый робот. На нем можно показать согласованную работу RPi и Arduino, где старшая платформа занимается обработкой видеосигнала и интерфейсом пользователя, а вторая выполняет свои рутинные робозадачи.

Сейчас на роботе стоит веб-камера с аппаратной поддержкой mjpg сжатия, соединенная с Raspberry по USB. Робот цепляется к WiFi посредством USB-роутера TL-WN722N. Двигатели стоят усиленные, с отношением 1:120. Колеса большие с мягкой резиной, чтобы цепляться за линолеум у нас в хакспейсе. Энкодеры на двигателях помогают нивелировать разброс в тяге двигателей. Питается все это от двух LiIon аккумулятором типоразмера 18650.

Как все это работает

На RPiDuino крутится программа, которая слушает из UART-а команды на движение и отправляет обратно кое-какую телеметрию. В своих проектах я использую библиотеку SerialFlow , написанную еще для моего первого квадрокоптера. Код программы для RPiDuino также можно найти на github.

На стороне Raspberry Pi все устроено несколько сложнее. Во-первых, управление роботом осуществляется через web-интерфейс, так что пришлось поднять небольшой web-сервер на python. Экран управления имеет стрелки для задания направления движения, регулятор скорости, телеметрию, и окно для отображения потока с веб-камеры. Для трансляции видео я традиционно использую mjpg-streamer.

Если захочется повторить нечто подобное на своем роботе, алгоритм установки будет следующим.
1) Устанавливаем mjpg-streamer, и настраиваем передачу видеопотока в http.
2) Устанавливаем пакет pyserial.
3) Качаем и распаковываем архив с серверной частью управляющей программы.
4) Заливаем на RPIDuino скетч управления.
5) Настраиваем wifi на RPi.
6) Настраиваем автозапуск управляющей программы на RPi.

RPiDuino и ROS

Еще одна причина, по которой нам стал нужен этот модуль расширения - это возможность показать нашим ученикам правильную концепцию роботов. Сейчас это звучит примерно так: «Смотрите, ребята, у робота есть главный компьютер, который управляет сложными вычислениями. Он может распознавать изображения, строить карту с помощью лидара и SLAM. Все это отнимает у него много ресурсов, так что он больше не может чутко управлять колесами наземного робота, и не дай бог, стабилизацией квадрокоптера в полете. Для этих операций на уровне спинного мозга имеется другой компьютер, специализирующийся на конкретных простых задачах и не отвлекающийся ни на что другое. Эти два вычислителя связаны шиной данных, по которой они общаются друг с другом и прочими модулями.»

Тут-то и выплывает понятие ROS. В данном случае ядро системы крутится на RPi, а RPiDuino - есть узел ROS. Мы, кстати, уже сделали небольшой пакет для управления RPIDuino через ROS. Скоро опубликуем отдельную статью на эту тему.

Бета версия модуля показала себя достойно. Сейчас небольшое количество плат можно добыть в нашем

В статье мы рассмотрим плату расширения GPIO Shield, которая добавит возможность подключения аналоговых датчиков и плат расширения Arduino к Raspberry Pi (Рисунок 1). Напряжение питания на плату GPIO Shield может поступать от Raspberry Pi (5 В) или от внешнего источника (12 В), но более подробно мы рассмотрим этот вопрос ниже. Плата подключается к Raspberry Pi посредством GPIO-совместимого разъема, а для подключения типовых контроллеров Arduino и плат расширения имеются соответствующие штыревые контакты. Другими словами, предлагаемое аппаратное решение является своего рода мостом между Raspberry Pi и Arduino.

Принципиальная схема

При разработке платы расширения преследовались следующие цели:

• Повышение функциональности портов GPIO за счет добавления непосредственно на плату расширения 4-канального АЦП с дифференциальными или несимметричными входами, а с дополнительным модулем - 16 цифровых линий ввода/вывода и ЦАП;
• Использование напряжения питания 5 В платы Raspberry Pi или внешнего источника 12 В для совместимости с платами расширения Arduino;
• Преобразование логических уровней 3.3 В - 5 В цифровых линий ввода/вывода и интерфейсов передачи данных I 2 C/SPI;
• Возможность использования аналоговых входов АЦП в дифференциальном и линейном режиме;
• Обеспечение совместимости с Raspberry Pi посредством установки 26-контактного разъема GPIO;
• Установка разъемов для прямого подключения Arduino и будущих плат, которые планируются к выпуску;
• Возможность установки дополнительных разъемов для подключения внешних адаптеров USB-I 2 C, USB-SPI.

На Рисунке 2 изображена принципиальная схема GPIO Shield, реализующая перечисленные цели на практике.

Регулятор напряжения выполнен по классической схеме с использованием микросхемы стабилизатора . Перемычка EXT/INT предназначена для выбора способа питания платы расширения: внешний источник 12 В через регулятор 7805 или внутренний источник 5 В с контакта 2 разъема GPIO Raspberry Pi. Следует помнить, что используемая для питания внешней периферии схема регулятора напряжения на плате Raspberry Pi способна обеспечить выходной ток 500 мА для версии A и 300 мА для версии B. Поэтому для внешних модулей и датчиков с бóльшими токами потребления или для плат расширения с напряжением питания 12 В следует использовать внешний источник питания, и соответствующим образом установить перемычку EXT/INT.

Рассмотрим схему преобразования логических уровней, в которой использованы два разных приема.

Преобразование логических уровней цифровых линий ввода/вывода выполняется с помощью 8-разрядной двунаправленной микросхемы сдвига уровней компании , имеющей две раздельные шины питания и автоматически определяющей направление передачи данных.

Порты A микросхемы подключаются к интерфейсу Raspberry Pi (разъем GPIO которого обозначен на схеме как RPY), порты B подключаются к разъемам IOL и IOH портов ввода/вывода Arduino. На выводы VCCA и VCCB подаются опорные напряжения для преобразования уровней, подключенные к шинам 3.3 В и 5.0 В, соответственно. Высокий логический уровень на выводе OE разрешает работу микросхемы, поэтому он подтянут через резистор к напряжению VCCA. Низкий уровень на этом выводе переводит все выходы микросхемы в высокоимпедансное состояние. Соответствие выводов разъемов Arduino и Raspberry Pi представлено в Таблице

Что касается линий интерфейсов I 2 C, SPI и последовательного порта UART, для преобразования логических уровней мы выбрали решение на полевых N-канальных MOSFET , работающих в режиме обогащения с пороговым напряжением 1.3 В.

Схемы преобразования уровней идентичны для каждой сигнальной линии. В качестве примера рассмотрим линию SDA шины I 2 C. Затвор транзистора T7 подключен к шине питания 3.3 В, исток подключен к линии низкоуровневого сигнала (3.3 В), сток - к линии высокоуровневого сигнала (5.0 В).

Теперь рассмотрим узел аналого-цифрового преобразования, для которого мы выбрали микросхему компании .

При разработке этого узла платы мы пошли на некоторый компромисс при распределении сигналов по выводам разъемов Arduino. Дело в том, что Arduino имеет 6 аналоговых входов, но два из них (A4, A5) используются совместно с интерфейсом I 2 C. При разработке проекта в среде Arduino IDE мы можем программно переопределять назначение выводов в соответствии с требованиями приложения. Для Raspberry Pi такой возможности нет, как нет и встроенного АЦП. В нашем случае мы выбрали внешнюю микросхему АЦП, которая подключается к микроконтроллеру по шине I 2 C через указанные выводы порта, оставляя свободными только 4 аналоговых входа. Но, в то же время, микросхема MCP3428 предоставляет 16-разрядную точность измерений линейных или дифференциальных сигналов.

Выводы микросхемы CH1+ … CH4+ подключаются к контактам A0 … A3, соответственно, разъема АЦП Arduino. Выводы CH1- … CH4- подключены к отдельному разъему, и с помощью перемычек J0 … J3 могут индивидуально замыкаться на «землю». Таким образом каждый вывод можно сконфигурировать на прием как линейных, так и дифференциальных сигналов. Сигналы SDA и SCL выведены на соответствующие контакты разъема Arduino, а также на разъем GPIO Raspberry Pi (выводы 5 и 3) через преобразователи уровней на транзисторах Q7 и Q8. Для установки адреса микросхемы на шине I 2 C используются входы ADR0 и ADR1. Указанному на схеме состоянию этих входов соответствует адрес 0x68 (см. техническое описание MCP3428).

Линии последовательного порта с выводов 8 и 10 разъема GPIO через преобразователи уровней подключаются к контактам TXD и RXD разъема Arduino.