RaspberryPi のセットアップとデバイス接続

1. Raspbian のインストール

Raspberry Pi のインストールとセットアップにしたがって、MicroSD に Raspi の OSである Raspbian をインストールする。

2. RaspberryPiとデバイス接続

MG4では 2016年11月時点で最新の Raspberry Pi 3 Model B を使用する。 このモデルでは CPU が 64bit対応となり処理能力が増強され、 Wi-Fi、Bluetooth 機能が内臓された。 (参考:Raspberry Pi (Wikipedia)

システム構成図で示されているように、MG4では Raspi に、I2C通信で制御可能な超音波センサを接続する。また、GPIOピンにタッチセンサ等の ON/OFF 信号デバイスを取り付け、そのデバイスの状態を監視する。

Raspberry Pi には 40 ピンの IO ピンがあるが、このうち 26本が GPIO ピンであり、デジタル入出力に利用可能である。 またこのうちGPIO2、GPIO3が I2C シリアル通信のポートとして利用できる。


Raspberry Pi のピン配置

(参考)Raspberry Pi 公式ドキュメント

3. 超音波センサの接続

GPIO2(ピン番号3)、GPIO3(ピン番号5)がそれぞれI2C通信のSDA, SDC信号ピンとなる。 Raspberry Pi の I2C通信は 3.3V で動作するが、MG4で使用する超音波センサ Devantech SRF02 は5V動作であるため、3.3V-5V の I2C レベル変換器を介して、双方向の電圧変換を行う必要ある。 レベル変換器にはDevantech I2C-LVL01を用いる(Technical Documentation)。

このレベル変換器を介して、RaspberryPi のピンと超音波センサを次のように接続する。 超音波センサは I2C のバス接続なので、設定可能なアドレスの範囲で何台でも接続できる。


RaspberryPi GPIOピンと超音波センサの接続回路図


RaspberryPi GPIOピンと超音波センサの接続イメージ図

4. タッチセンサの接続

タッチセンサ等の ON/OFF IOデバイスの接続するGPIO ピンに対して、インプットモード指定およびプルアップ設定を行う。 この設定を行うことにより、タッチセンサの一方を Raspi IO のグランド側、もう一方をプルアップ設定したピンに接続する だけでよい。
下に示す実装写真では、GPIO の 18, 25, 26 ピンとそれぞれの隣のGNDピンとのペアで、MOLEX 2ピンコネクタをマウントしている。 (標準プログラムの IOテストプログラムでは GPIO 18番ピンを foward、GPIO 25番ピンを left、GPIO 26番ピンを right としている。)

5. シールド基板への接続ポートの実装

Raspiとデバイスとの接続にはRaspberryPi用シールド基板UB-RPI02を用いる。 超音波センサ接続に必要なI2Cレベル変換器もこのシールド基板上に実装する。

  1. 準備

    シールド基板に付属の20ピンx2列のピンソケットをシールド基板に半田付けする。 このときシールド基板の SideA が上になるよに SideB側にソケットセットし、SideA側で 半田付けする。



    ピンソケットのハンダ付け

  2. 実装

    信号線、ハウジング、ICソケット(8ピン、I2Cレベル変換チップ用)を基板実装(表面)、(裏面)のように取り回してハンダ付け実装する。
    (下の写真ではI2Cレベル変換チップは直接半田付けされているが、8ピンICソケットをハンダ付けして、そこにマウントするようにする。)



    シールド基板実装(表面)



    シールド基板実装(裏面)

    表面の写真の上側にある3個のの2ピンのハウジング(オス)が ON/OFF IOデバイスの接続ポートである。 写真下側の4個の4ピンハウジング(オス)が超音波センサの接続ポートである。ハウジングの黒丸はグラインドピン、 赤丸はVccのピンであることを示している。

    表面の写真ではわかりにくいが、この基板に超音波接続ピンは Moldexハウジング以外に、4ピンのピンヘッダを4つ並べた ポートを2つ用意している(表面の写真の左側中央、裏面の写真の上側の中央)が、このポートは実験的に取り付けたものなの で実際には必要ない。

  3. 導通チェック

    テスターを用いて、ハンダ付けを行った全ての回路系に対して、導通・非導通のチェックを行う。

  4. シールド基板のRaspberryPiへのマウント
  5. シールド基板をRaspiにマウントする際は、下の写真のようにピンソケットのない2ヶ所の通しネジの間に10mmのスペーサを入れる。これを入れないと RasPi の HDMI端子の金属部と シールド基板面が接触してショートする可能性がある。

    なお、Raspberry Pi のボード固定用の穴は 3mm ネジは入らないので、2.6mm径のネジを使って固定する。



    シールド基板のマウント

6. 超音波センサと接続ケーブル

  1. 下の写真のように、超音波センサに5ピンの Molex ハウジング(写真左側)またはピンヘッダ(写真右側)をハンダ付けする。



  2. 超音波センサを下の写真のように Raspi のシールド基板に接続する。 この写真のよにMoldex ハウジングを使ったケーブルを用いる場合は、4本の信号線を使いシールド基板側を 4ピンのハウジングに、超音波センサ側をグランド線(写真では左端)を飛ばした5ピンのハウジングに接続する。




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