Capteurs Raspberry Pi

Dans cet article, par Rushi Gajjar , auteur du livre Raspberry Pi Sensors, vous découvrirez les exigences de base nécessaires à la création des projets RasPi. Vous ne pouvez même pas passer une journée sans appareils électroniques, n'est-ce pas ? L'électronique est partout, de votre brosse à dents aux voitures, en passant par les avions et les vaisseaux spatiaux. Cet article vous aidera à comprendre les concepts de l'électronique qui peuvent être très utiles lorsque vous travaillez avec le RasPi.

Vous avez peut-être lu de nombreux livres sur l'électronique et ils vous ont peut-être ennuyé avec des concepts alors que vous vouliez vraiment créer ou construire des projets. Je crois qu'il doit y avoir une raison pour que des explications soient données sur l'électronique et ses applications.

Une fois que vous connaissez l'électronique, nous allons parcourir les protocoles de communication et leurs utilisations en ce qui concerne la communication entre les composants électroniques et les différentes techniques pour le faire. Des conseils utiles et des précautions sont répertoriés avant de commencer à travailler avec des GPIO sur le RasPi. Ensuite, vous comprendrez les fonctionnalités de GPIO et ferez clignoter la LED à l'aide du code shell, Python et C.

Passons en revue quelques-uns des principes fondamentaux de l'électronique.

(Pour plus de ressources liées à ce sujet, voir ici.)

Terminologies de base de l'électronique

Il existe de nombreuses terminologies utilisées dans le monde de l'électronique. Du matériel au logiciel, il existe des millions de concepts qui sont utilisés pour créer des produits et des projets étonnants. Vous savez déjà que le RasPi est un ordinateur monocarte qui contient de nombreux composants électroniques intégrés, ce qui nous rend très confortable pour contrôler et interfacer les différents appareils électroniques connectés via son port GPIO. En général, quand on parle d'électronique, il s'agit simplement du matériel ou d'un circuit composé de plusieurs Circuits Intégrés (CI ) avec différentes résistances, condensateurs, inductances et bien d'autres composants. Mais ce n'est pas toujours le cas; lorsque nous construisons notre matériel avec des circuits intégrés programmables, nous devons également nous occuper de la programmation interne (le logiciel). Par exemple, dans un microcontrôleur ou un microprocesseur, ou même dans le cas du RasPi, nous pouvons alimenter le programme (techniquement, graver/vider en permanence les programmes) dans les circuits intégrés de sorte que lorsque le circuit intégré est mis sous tension, il suive les étapes écrites dans le programme et se comporte comme nous le souhaitons. C'est ainsi que fonctionnent les robots, vos machines à laver et autres appareils électroménagers. Tous ces appareils ont des complexités de conception différentes, qui dépendent de leur application. Certaines fonctions peuvent être exécutées à la fois par le logiciel et le matériel. Le concepteur doit analyser le compromis en expérimentant les deux ; par exemple, la fonction de décodeur peut être écrite dans le logiciel et peut également être implémentée sur le matériel en connectant des circuits intégrés logiques. Le développeur doit analyser la vitesse, la taille (à la fois matérielle et logicielle), la complexité et bien d'autres paramètres pour concevoir ce type de fonctions. Le but de discuter de ces théories est de se faire une idée de la complexité de l'électronique. Il est très important que vous connaissiez ces terminologies car vous en aurez fréquemment besoin lors de la construction des projets RasPi.

Qui a découvert la tension ? D'accord, ce n'est pas important maintenant, comprenons-le d'abord. Le concept de base suit la physique derrière l'écoulement de l'eau. L'eau peut s'écouler de deux manières; l'une est une chute d'eau (par exemple, du sommet d'une montagne au sol) et la seconde est un écoulement forcé à l'aide d'une pompe à eau. Le concept derrière la compréhension de la tension est similaire. La tension est la différence de potentiel entre deux points, ce qui signifie qu'une différence de tension permet le passage de charges (électrons) du potentiel le plus élevé au potentiel le plus bas. Pour comprendre l'exemple précédent, considérons la foudre, qui peut être comparée à une cascade, et les batteries, qui peuvent être comparées à une pompe à eau. Lorsque les batteries sont connectées à un circuit, des réactions chimiques en leur sein pompent le flux de charges de la borne positive à la borne négative. La tension est toujours mentionnée en volts (V). La pile AA fournit généralement 3V. Soit dit en passant, le terme tension a été nommé d'après le grand scientifique Alessandro Volta, qui a inventé la cellule voltaïque, qui était alors connue sous le nom de cellule de batterie.

Le courant est le flux de charges (électrons). Chaque fois qu'une différence de tension est créée, elle fait circuler le courant dans une direction fixe de la borne positive (supérieure) à la borne négative (inférieure) (appelée courant conventionnel). Le courant est mesuré en ampères (A). Le courant d'électrons circule de la borne négative de la batterie à la borne positive. Pour éviter toute confusion, nous suivrons le courant conventionnel, qui va de la borne positive à la borne négative de la batterie ou de la source.

Le sens du mot « résister » dans le dictionnaire Oxford est « essayer d'arrêter ou d'empêcher ». Comme le dit la définition, une résistance empêche simplement la circulation du courant. Lorsque le courant traverse une résistance, il y a une chute de tension dans celle-ci. Cette chute dépend directement de la quantité de courant traversant la résistance et de la valeur de la résistance. Il existe une formule utilisée pour calculer la quantité de chute de tension à travers la résistance (ou dans le circuit), qui est également appelée loi d'Ohm (V =I * R ). La résistance est mesurée en ohms (Ω). Voyons comment la résistance est calculée avec cet exemple :si la résistance est de 10  et que le courant s'écoulant de la résistance est de 1 A, alors la chute de tension aux bornes de la résistance est de 10 V. Voici un autre exemple :lorsque nous connectons des LED sur une alimentation 5V, nous connectons une résistance de 330Ω en série avec les LED pour éviter le soufflage des LED en raison d'un courant excessif. La résistance laisse tomber une certaine tension et protège les LED. Nous utiliserons largement les résistances pour développer nos projets.

Une résistance dissipe l'énergie sous forme de chaleur. Contrairement à cela, un condensateur stocke de l'énergie entre ses deux plaques conductrices. Souvent, les condensateurs sont utilisés pour filtrer la tension fournie dans les circuits de filtrage et pour générer une voix claire dans les circuits amplificateurs. Expliquer le concept de capacité sera trop lourd pour cet article, alors permettez-moi d'en venir au point principal :lorsque nous avons des batteries pour stocker de l'énergie, pourquoi avons-nous besoin d'utiliser des condensateurs dans nos circuits ? Il y a plusieurs avantages à utiliser un condensateur dans un circuit. De nombreux livres vous diront qu'il agit comme un filtre ou un suppresseur de surtension, et ils utiliseront des termes tels que lissage de puissance, découplage, blocage CC, etc. Dans nos applications, lorsque nous utilisons des condensateurs avec des capteurs, ils maintiennent le niveau de tension pendant un certain temps afin que le microprocesseur ait suffisamment de temps pour lire cette valeur de tension. Les données du capteur varient beaucoup. Elle doit être stable tant qu'un microprocesseur lit cette valeur pour éviter des calculs erronés. Le temps de maintien d'un condensateur dépend d'une constante de temps RC, qui sera expliquée lorsque nous l'utiliserons réellement.

Maintenant, il y a un point intéressant à noter :lorsqu'il y a une tension disponible sur la borne mais qu'aucun composant n'est connecté aux bornes, il n'y a pas de flux de courant, ce qui est souvent appelé un circuit ouvert. En revanche, lorsque deux bornes sont connectées, avec ou sans composant, et que la charge est autorisée à circuler, cela s'appelle un court-circuit, un circuit connecté ou un circuit fermé.

Voici un avertissement pour vous :ne court-circuitez pas (connectez directement) les deux bornes d'une alimentation comme les batteries, les adaptateurs et les chargeurs. Cela peut causer de graves dommages, notamment des dommages causés par un incendie et une défaillance des composants. Si on connecte un fil conducteur sans résistance, voyons ce que donne la loi d'Ohm :R =0Ω puis I =V/0, donc I =∞A. En théorie, cela s'appelle infini (uncountable), et pratiquement, cela signifie un incendie ou une explosion !

En théorie électrique, lorsque le courant traversant un composant ne se divise pas en chemins, il s'agit d'une connexion en série. De plus, si le courant traversant chaque composant est le même, ces composants sont dits en série. Si la tension aux bornes de tous les composants est la même, alors la connexion est dite en parallèle. Dans un circuit, il peut y avoir combinaison de connexions en série et en parallèle. Par conséquent, un circuit ne peut pas être purement une série ou un circuit parallèle. Étudions les circuits représentés dans le schéma suivant :

À première vue, cette figure semble complexe avec de nombreuses notations, mais examinons chaque composant séparément. La figure de gauche est une connexion en série de composants. La batterie fournit de la tension (V ) et actuel (Je ). Le sens du flux de courant est indiqué dans le sens des aiguilles d'une montre. Comme expliqué, dans une connexion en série, le courant traversant chaque composant est le même, mais les valeurs de tension à travers tous les composants sont différentes. Par conséquent, V =V1 + V2 + V3 . Par exemple, si la batterie fournit 12V, la tension aux bornes de chaque résistance est de 4V. Le courant traversant chaque résistance est de 4 mA (car V =IR et R =R1 + R2 + R3 =3K ).

La figure de droite représente une connexion parallèle. Ici, chacun des composants reçoit la même tension mais le courant est divisé en différents chemins. Le courant circulant depuis la borne positive de la batterie est I, qui est divisé en I1 et I2. Lorsque I1 se dirige vers le nœud suivant, il est à nouveau divisé en deux parties et acheminé via R5 et R6. Par conséquent, dans un circuit parallèle, I =I1 + I2 . La tension reste la même sur toutes les résistances. Par exemple, si la batterie fournit 12V, la tension à travers toutes les résistances est de 12V mais le courant à travers toutes les résistances sera différent. Dans l'exemple de connexion en parallèle, le courant traversant chaque circuit peut être calculé en appliquant les équations de division du courant. Essayez de calculer !

Lorsqu'il y a une combinaison de circuits série et parallèle, cela nécessite plus de calculs et d'analyses. Les lois, les nœuds et les équations de maillage de Kirchhoff peuvent être utilisés pour résoudre de tels types de circuits. Tout cela est trop complexe pour être expliqué dans cet article; vous pouvez consulter n'importe quel livre standard sur la théorie des circuits et acquérir une expertise en la matière.

La loi actuelle de Kirchhoff :à n'importe quel nœud (jonction) d'un circuit électrique, la somme des courants circulant dans ce nœud est égale à la somme des courants sortant de ce nœud.

Loi de tension de Kirchhoff :la somme dirigée des différences de potentiel électrique (tension) autour de tout réseau fermé est nulle.

Les résistances pull-up et pull-down sont l'une des terminologies importantes dans la conception de systèmes électroniques. Comme le titre l'indique, il existe deux types de résistances de tirage :pull-up et pull-down. Les deux ont la même fonctionnalité, mais la différence est que la résistance pull-up tire la borne à la tension fournie et la résistance pull-down tire la borne à la terre ou à la ligne commune. L'importance de connecter une résistance de tirage à un nœud ou à un terminal est de ramener le niveau logique à la valeur par défaut lorsqu'aucune entrée n'est présente sur ce terminal particulier. L'avantage d'inclure une résistance pull-up ou pull-down est qu'elle rend les circuits sensibles au bruit, et le niveau logique (1 ou 0) ne peut pas être modifié à partir d'une petite variation en termes de tensions (dues au bruit) sur le Terminal. Regardons l'exemple montré dans la figure suivante. Il montre un exemple de pull-up avec une porte NON (une porte NON donne une sortie inversée dans sa borne OUT ; par conséquent, si un un logique est l'entrée, la sortie est un zéro logique). Nous allons considérer les effets avec et sans la résistance de rappel. Il en est de même pour la résistance pull-down.

En général, les portes logiques ont une impédance élevée à leur borne d'entrée, donc lorsqu'il n'y a pas de connexion sur la borne d'entrée, elle est qualifiée de flottante. Maintenant, dans la figure précédente, la connexion la plus à gauche n'est pas recommandée car lorsque le commutateur est ouvert (état OFF), il laisse la borne d'entrée flottante et tout bruit peut changer l'état d'entrée de la porte NOT. La raison du bruit peut être quelconque. Même les bornes ouvertes peuvent agir comme une antenne et peuvent créer du bruit sur la broche de la porte NOT. Le circuit montré au milieu est un circuit pull-up sans résistance et il est fortement recommandé de ne pas l'utiliser. Ce type de connexion peut être appelé pull-up mais ne doit jamais être utilisé. Lorsque l'interrupteur est fermé (état ON), le VCC obtient un chemin direct vers la terre, ce qui équivaut à un court-circuit. Une grande quantité de courant passera du VCC à la terre, ce qui peut endommager votre circuit.

La figure la plus à droite montre la meilleure façon de tirer car il y a une résistance dans laquelle une chute de tension se produira. Lorsque l'interrupteur est ouvert, la borne de la porte NOT flottera vers le VCC (tiré vers le haut), ce qui est la valeur par défaut. Lorsque l'interrupteur est fermé, la borne d'entrée de la porte NON sera connectée à la terre et elle subira l'état logique zéro. Le courant traversant la résistance sera cette fois nominal. Par exemple, si VCC =5V, R7 =1K et I =V/R , alors I =5mA, ce qui est dans la zone de sécurité. Pour l'exemple du circuit pull-down, il peut y avoir un échange entre le commutateur et une résistance. La résistance sera connectée entre la terre et la borne d'entrée de la porte NOT. Lorsque vous utilisez des capteurs et des circuits intégrés, gardez à l'esprit que s'il est indiqué d'utiliser des pull-ups ou des pull-downs dans les fiches techniques ou les manuels techniques, il est recommandé de les utiliser partout où cela est nécessaire.

Protocoles de communication

Cela a été beaucoup de théorie jusqu'à présent. Il peut y avoir de nombreux composants, y compris des circuits intégrés et des capteurs numériques, en tant que périphériques d'un microprocesseur. Il peut y avoir une grande quantité de données avec les périphériques et il peut être nécessaire de les envoyer au processeur. Comment communiquent-ils ? Comment le processeur comprend-il que les données y entrent et qu'elles sont envoyées par le capteur ? Il existe une connexion de ligne de données série ou parallèle entre les circuits intégrés et un microprocesseur. Les connexions parallèles sont plus rapides que celles en série mais sont moins préférées car elles nécessitent plus de lignes, par exemple 8, 16 ou plus. Un bus PCI peut être un exemple de communication parallèle. Habituellement, dans un circuit complexe ou à haute densité, le processeur est connecté à de nombreux périphériques, et dans ce cas, nous ne pouvons pas avoir autant de broches/lignes libres pour connecter un seul circuit intégré supplémentaire. La communication série nécessite jusqu'à quatre lignes, selon le protocole utilisé. Pourtant, on ne peut pas dire que la communication série est meilleure que la communication parallèle, mais la communication série est préférée lorsque le nombre de broches est faible. Dans la communication série, les données sont envoyées sur des trames ou des paquets. Les données volumineuses sont divisées en morceaux et envoyées sur les lignes par une trame ou un paquet. Maintenant, qu'est-ce qu'un protocole ? Un protocole est un ensemble de règles qui doivent être suivies lors de l'interfaçage des circuits intégrés au microprocesseur, et il ne se limite pas à la connexion. Le protocole définit également les structures de trame de données, les longueurs de trame, les niveaux de tension, les types de données, les débits de données, etc. Il existe de nombreux protocoles série standard tels que UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C, etc. Les modèles RasPi 1 B, A+, B+ et RasPi 2 modèle B ont une broche SPI, une broche I2C et une broche UART disponibles sur le port d'extension. Nous allons voir ces protocoles un par un.

UART est une interface ou un protocole très courant, que l'on trouve dans presque tous les PC ou microprocesseurs. UART est la forme abrégée de Universal Asynchronous Receiver and Transmitter. Ceci est également connu sous le nom de norme RS-232. Ce protocole est en duplex intégral et constitue une norme complète, comprenant des caractéristiques électriques, mécaniques et physiques pour une instance particulière de communication. Lorsque les données sont envoyées sur un bus, les niveaux de données doivent être modifiés pour s'adapter aux niveaux du bus RS-232. Des tensions variables sont envoyées par un émetteur sur un bus. Une valeur de tension supérieure à 3V est un zéro logique, tandis qu'une valeur de tension inférieure à -3V est un un logique. Les valeurs comprises entre -3V et 3V sont appelées états indéfinis. Le microprocesseur envoie les données à la logique transistor-transistor (TTL ) niveau; lorsque nous les envoyons sur le bus, les niveaux de tension doivent être augmentés jusqu'à la norme RS-232. Cela signifie que pour convertir la tension des niveaux logiques d'un microprocesseur (0 V et 5 V) en ces niveaux et inversement, nous avons besoin d'un circuit de décalage de niveau tel que MAX232. Les données sont envoyées via un connecteur DB9 et un câble RS-232. Le changement de niveau est utile lorsque nous communiquons sur une longue distance.

Que se passe-t-il lorsque nous devons nous connecter sans ces circuits intégrés de décalage de niveau supplémentaires ? Cette connexion est appelée connexion NULL, comme illustré dans la figure suivante. On peut observer que les broches d'émission et de réception d'un émetteur sont interconnectées et que les broches de masse sont partagées. Cela peut être utile dans les communications à courte distance. Dans UART, il est très important que les débits en bauds (symboles transférés par seconde) correspondent entre l'émetteur et le récepteur. La plupart du temps, nous utiliserons 9600 ou 115200 comme débits en bauds. La trame typique de la communication UART se compose d'un bit de démarrage (généralement 0, qui indique au récepteur que le flux de données est sur le point de démarrer), de données (généralement 8 bits) et d'un bit d'arrêt (généralement 1, qui indique au récepteur que la transmission est fini).

Pour plus de détails : Capteurs Raspberry Pi