Java Embedded（6）認識 Raspberry Pi 的 GPIO

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6-1 Raspberry Pi GPIO介紹

到目前為止，你應該完成工作電腦的開發環境，還有Raspberry Pi的執行環境的安裝、設定與測試。不過現在都還是撰寫與測試一般的Java應用程式，如果只是一般的系統需求，在一般的個人電腦上運作，當然會比Raspberry Pi的效率好很多。想要把應用程式放在Raspberry Pi這類的單板電腦上運作，主要有這幾種情況：

• 應用程式的需求比較簡單，甚至不需要圖形使用者介面，所以不需要太高的硬體效能與資源，這樣可以節省一些硬體的成本
• 應用程式需要讀取一些感應器的資訊，例如氣溫、大氣壓力或物體的距離，依照需求儲存與使用這些資訊
• 應用程式需要控制硬體的設備，例如LED、馬達或家用電器

在讀取感應器資訊與控制硬體的部份，一般個人電腦就不太合適，能夠支援的感應器與硬體也不多。Raspberry Pi這類的單板電腦，都會提供一組用來輸出與輸入用的針腳，稱為「Gereral-Purpose Input/Output、GPIO」，Raspberry Pi Model B有32個GPIO針腳：

Raspberry Pi Model B+有40個GPIO針腳：

Raspberry Pi Model B與 Model B+，採用同樣的針腳編號排列，Model B有26的GPIO針腳，Model B+有40個GPIO針腳：

Raspberry Pi提供的GPIO，每一個針腳都有各自的用途，在後續討論的內容，會很常出現「請你把某個腳位連接到某個裝置」的說明。以Model B來說，使用這樣的方式來認識所有GPIO腳位的編號：

Raspberry Pi的GPIO經過幾次的變化，最早的GPIO稱為「Revision 1」，目前的版本是「Revision 2」，後面的討論都是以下圖右邊的Revision 2為主：

Raspberry Pi推出的Model B+，擴充GPIO為40的針腳，原來1到26的針腳與Revision 2一樣：

Raspberry Pi 2 Model B的針腳位置與編號，與Model B+完全一樣。

6-2 連接並點亮LED

接下來的說明會開始需要一些其它設備或零件，這樣才能夠真正體驗GPIO的功能，所以要執行一些測試之前，會把Raspberry Pi以外需要的零件列出來：

• LED
• 杜邦線
• 麵包板與麵包板連接線
• 電阻

這些零件會很常使用，這是它們實際的樣子：

接下來的內容提供一些相關零件的基本概念，主要是讓你先認識它們，並不需要照著說明執行任何工作，後面的內容會把它們整合起來，完成需要執行的工作。這些零件的價格都很便宜，例如一般的LED都是個位數的售價，可以在一般的電子材料行購買，現在很多拍賣與購物網站也都可以買的到，使用LED、杜邦線這些名稱搜尋看看，應該就有很多選擇的賣家，不過建議先看完接下來的介紹，再決定要購買的規格與數量。

6-2-1 LED

如果你還沒有接觸過這些電子零件，可以先瞭解這些零件的說明，首先是LED的介紹。LED是Light Emitting Diode的縮寫，通常稱為發光二極體，在生活中的應用雖然已經很常見，不過這裡需要的是單顆LED的零件，並不是一般市面上賣的LED燈泡。LED在提供電源給它以後就會發亮，主要的顏色有紅、綠、藍、黃、白、暖與琥珀色，LED需要的電壓會根據顏色而不一樣，紅、黃、淺綠的電壓是1.8到2.4v之間，白、藍、深綠的電壓是3.0到3.6v之間；LED需要的電流大多是20MA，電流的大小可以控制LED的亮度。過大的電壓與電流會燒壞LED，甚至可能會讓你聞到燒焦的味道。

LED零件有兩個針腳，使用長短來分辨正負極，長的是正，短的是負。如果你有一個可以裝兩顆電池的電池盒（一顆電池的電壓只有1.5v），電池盒的紅色線接到LED的長針腳，黑色線接到短針腳，就可以點亮LED：

6-2-2 杜邦線

要讓Raspberry Pi連接各種零件，從LED、感應器到馬達，都需要使用電線連接到對應的GPIO針腳。這種用來連接的線稱為杜邦線，這是它的樣子：

根據不同的用途，杜邦線有一些不同規格，常見長度有20與30公分，兩端分為公與母兩種接頭：

Raspberry Pi的GPIO是突出的針腳，所以杜邦線的一端需要母的接頭，另外一端需要依照連接的零件選擇，如果有兩條像這樣兩端都是母接頭的杜邦線：

就可以參考這個線路圖，把一條杜邦線插入GPIO的一號（3.3V）針腳，另一端插入LED長的針腳；另一條杜邦線插入GPIO的六號（GND）針腳，另一端插入LED短的針腳，這樣就可以經由GPIO提供電源並點亮LED。這裡的線路只是用來認識杜邦線的用途，這樣的作法很容易讓LED燒掉：

如果使用這樣的方式連接Raspberry Pi與零件，通常在零件一多以後就會很麻煩，所以通常會從GPIO連接到馬上要說明的麵包板，連接到麵包板需要公接頭，所以你可以準備一些「公-母」的杜邦線，長度選擇20或30公分都可以，規格是「2.54mm」，初期的應用大約10條就夠了。

6-2-3 麵包板與麵包板連接線

為了比較方便Raspberry Pi連接各種零件，通常會使用一塊麵包板，先把需要的GPIO針腳連接到麵包板，在麵包板插入LED或其它零件，再把它們連接起來。先看看這個使用GPIO控制八顆LED的連接圖：

麵包板有幾種不同的尺寸，選擇630洞的尺寸比較夠用。麵包板上面有很多洞可以用來插入杜邦線的公頭，或是插入LED與其它零件。板子上的洞分為垂直與水平連接，下圖線條穿越的洞都是連接在一起的：

所以只要依照這個圖形，把GPIO的一號（3.3V）與六號（GND）針腳連接到麵包板，需要電源的的零件都可以從垂直的洞連接：

如果一次要點亮多顆LED燈的話，就可以使用這樣的作法，把所有的LED長腳插入與3.3V垂直的洞，短腳插入與GND垂直的洞。這裡的說明只是用來認識麵包板的用途，這樣的作法很容易讓LED燒掉：

麵包板上水平連接的洞，在以後連接感應器的時候，就會比較常用，不過現在可以先看看這種點亮LED的作法。先依照下面的圖型把LED插在麵包板上，再使用公-公的杜邦線，通常稱為麵包板連接線，連接到3.3V與GND垂直的洞，同樣可以點亮LED。還是點再提醒你，這樣的作法很容易讓LED燒掉：

麵包板連接線（公-公的杜邦線）通常需要不同的長度，才不會讓接完線路後的麵包板變得很雜亂，市面上可以找到各種不同長度的一組連接線，你可以考慮購買這樣的麵包板連接線。

6-2-4 電阻

從上面介紹的內容，你可以發現直接把LED接在GPIO提供的電源，是一件不太好的作法，在LED的介紹內容，LED需要的電流大多是20MA，如果超過太多的話，就很容易燒壞LED。Raspberry Pi的3.3V最大輸出電流是50mA，所以很容易燒壞LED。使用5V的時候要更小心，它的輸出電流是根據提供給Raspberry Pi的電源決定的，所以在連接LED的時候，不小心把3.3V接到5V，在電流過大的情況下，這個LED幾乎肯定會燒壞的。

雖然一顆LED不會花費太多，不過在使用3.3V電源點亮LED的時候，為了讓LED可以使用久一些，應該要連接電阻限制通過的電流，不過電流也會影響LED的量度，所以也不適合使用太大的電阻值。一般使用220 ohm到1k ohm的電阻都可以，不過電阻值越大的話，LED的亮度就會減低很多。

電阻的價格非常便宜，通常三到五個才$1，在電子材料行可以直接購買指定電阻值的電阻，例如220 ohm，你可以考慮多買幾個，大約8到10個左右就夠用了。電阻使用顏色標示電阻值，使用不同的顏色線條換算，如果你想要確認電阻值，可以到這個網站http://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code-4-band：

依照電阻上的顏色選擇完後，就會自動幫你計算它的電阻值：

為了避免燒壞LED這類電流需求比較小的零件，在連接的時候就要加上電阻。像下面這個圖型的連接方式，把LED的短針腳接在GND，長針腳插入麵包板；使用麵包板連接線連接3.3V，最後使用220 ohm的電阻連接LED的長針腳與3.3V：

因為現在的線路比較簡單，所以還可以直接在麵包板上畫出圖型，以後的線路比較複雜的時候，就會使用這樣的方式表示連接的作法：

6-3 點亮兩顆LED

現在可以真的把這些零件接在一起，試試看點亮兩顆LED，而且不會燒壞它們。你要準備這些零件：

• Raspberry Pi（包含電源與記憶卡）
• 麵包板一個
• LED兩顆
• 220 ohm電阻兩個
• 公-母杜邦線兩條
• 麵包板連接線（公-公杜邦線）三條

在開始連接所有線路之前，如果Raspberry Pi是開機中的狀態，建議先執行關機的指令，關機完成後移除或關閉Raspberry Pi的電源。在沒有電源的狀態下連接線路是比較安全的，例如不小心連接5V與其它針腳，有可能會燒壞Raspberry Pi。參考下面的圖型連接所有的零件：

連接完成後，最好再檢查一次，確認沒有問題以後，為Raspberry Pi接上電源，兩顆LED應該就會同時點亮了，一直到關閉電源Raspberry Pi的以後，LED才會關閉。你可以使用這樣的連接方式，試試看第三或第四棵LED。瞭解這些連接的方式以後，後面的的內容就會開始討論使用程式點亮與關閉LED的作法。

課程相關的檔案都可以GitHub瀏覽與下載。

http://github.com/macdidi5/JavaEmbedded

後續 >> Java Embedded （7）Raspberry Pi GPIO 的基礎應用與實作（上）