Der RaspberryPi3 ist ein Ein-Platinen-Computer auf der Grundlage der ARM-Prozessorarchitektur, welche durch die Firma Broadcom lizensiert und im SoC (https://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf) implementiert wurde. Es handelt sich dabei um eine Quad-Core-SMP-Architektur mit einem Basistakt von 1.2Ghz und einer Adressbreite von 64-Bit.
Der BCM2835-Prozessor ist als System-On-Chip konzipiert und stellt einen Grafikprozessor auf der Grundlage der Broadcom-VideoCoreIV-IP (http://elinux.org/Raspberry_Pi_VideoCore_APIs) bereit. Diese ist in der Lage, Full-HD-Videos abzuspielen und stellt auch OpenGL ES 2.0 bzw. OpenVG für Anwendungen bereit.
Wie für fast jegliche Art von Computersystem ist auch für den RaspberryPi3 eine Speicherhierarchie definiert. Der schnelle, aber flüchtige Arbeitsspeicher (RAM) des RaspberryPi ist mit 900Mhz getaktet (LPDDR2) und steht in einer Kapazität von 1GB bereit. Das langsame, aber persistente Halten von Daten wird durch eine externe SD-Karte realisiert.
Ein wesentlicher Unterschied neben der erhöhten Performance gegenüber dem RaspberryPi2 ist eine neu hinzugekommene Wireless-Funktionalität. So ist der RPi3 bereits im Auslieferungszustand in der Lage, Bluetooth-LowEnergy und WLAN-Verbindungen (IEEE 802.11n) herzustellen. Diese Funktionalität wird über den Chipsatz BCM43143 (http://www.cypress.com/file/298756/download) realisiert. Zusätzlich steht wie in den Vorgängermodellen des RPi eine RJ45-Schnittstelle bereit, über die 100MBit-Ethernetverbindungen hergestellt werden können.
Zusätzliche Komponenten des RaspberryPi3 sind die erweiterte Anzahl von USB-Schnittstellen (4x USB 2.0) gegenüber den 2xUSB1.1 vom ursprünglichen Board aus dem Jahre 2012), welche über das Bauteil SMSC LAN9514 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/9514.pdf) realisiert wird (dieses implementiert gleichzeitig auch den Ethernet-Stack). Daneben ist für den RPi3 auch eine CSI-Kameraschnittstelle für serielle Datenübertragung von HD-Kameramodulen vorgesehen, mit der entsprechende Kameramodule hochauflösend an den BCM-Prozessor angebunden werden können.
Zur Darstellung der Benutzeroberfläche dient eine HDMI- und eine DSI-Displayschnittstelle, über die mittels Differenzsignalen hochfrequent und störungsfrei Daten zu Displays übertragen werden können (LVDS). Dies entspricht im Wesentlichen dem Verhalten der HDMI-Schnittstelle, welche zum Anschluss externer Monitore bereitsteht und deren LVDS-Signale durch die oben genannte VideoCore-GPU generiert werden.
Zur Ausgabe akustischer Signale (Soundkarte) steht ein kombinierter A/V-Adapter zur Verfügung, der durch eine 3.5mm Klinkenstecker eine Stereoausgabe ermöglicht. Zusätzlich wird über einen dritten Kanal ein Composite-Videosignal (PAL/NTSC) bereitgestellt, was zur Videoausgabe auf nicht-HDMI-kompatibler Hardware verwendet werden kann.
Für das hier dokumentierte Projekt ist allerdings eine andere Eigenschaft des RaspberryPi entscheidend: der RaspberryPi 3 besitzt nämlich eine 40-polige Steckerleiste zur Anbindung externer Peripherie. Darüber können universell benutzbare Ein-/Ausgabe-Pins (GPIO=General Purpose I/O) mit LVTTL Pegeln (3.3V) geschaltet bzw. hochohmig gelesen werden. Manche dieser GPIO Pins besitzen eine Doppelbelegung, die bei Konfiguration der richtigen Register des BroadCom-SoCs die Zweitfunktionalität freischaltet. Dies betrifft z.B. Platinenbusse wie SPI oder I²C, die Ansteuerung von RS232-/ oder RS485-Treibern (UART), aber auch die Generierung von externen Signalformen mittels Hardware-unterstützter Pulsweitenmodulation (PWM). Maximal belastbar sind die GPIO-Ausgabekanäle mit 50mA, was zum direkten Schalten von LEDs ausreicht, für größere Lasten aber Bipolar- bzw. Feldeffekttransistoren benötigt.
Der RaspberryPi kann mit verschiedenen Betriebssystemen betrieben werden. Unter anderem stehen verschiedene Linux-Distributionen wie Raspbian (http://www.raspbian.org) oder das für MediaCenter optimierte (http://www.openelec.tv) zur Verfügung. Auch eine Verwendung mit Microsoft-Plattformen ist möglich, so kann etwa auch Windows10-IoT (https://developer.microsoft.com/de-de/windows/iot) für den RaspberryPi3 verwendet werden.
Zur Programmierung eigener Anwendungen ist für Linux-Betriebssysteme die Programmiersprache Python (http://www.python.org) das Mittel der Wahl. Sie stellt eine sehr einfache und für Einsteiger leicht zu erlernende Syntax bereit und kann durch PyQt (https://riverbankcomputing.com/software/pyqt/intro) leicht grafische Anwendungen erzeugen. Zur Ansteuerung der GPIOs kann die Softwarekomponente WiringPi (http://raspberrypiguide.de/howtos/raspberry-pi-gpio-how-to/) genutzt werden. Neben Python stehen auch Compiler für Programmiersprachen wie C/C++, Java oder ADA (http://www.adacore.com/press/adacore-introduces-gnat-gpl-2015-for-the-raspberry-pi-2) bereit.
Für die Verwendung von Windows 10 IoT muss statt dessen das VisualStudio 2015 (https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/docs/setuppcrpi) verwendet werden. Damit wird eine Programmierung mit C# und dem .NET Framework möglich.
Hauptkomponente des Projekts ist der integrierte Schaltkreis MCP23017 (http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/DS_MCP23017.pdf), der als GPIO-Extender fungiert und über den I²C-Bus vom RaspberryPi aus gesteuert werden kann.
Die wesentliche Aufgabe des Bausteins ist die Behebung der Limitierung von I/O-Ports. Der RaspberryPi kann als I²C-Master theoretisch bis zu 127 Slaves adressieren, die Einschränkung soll hier bei maximal 8 Teilnehmern liegen.<p> Der MCP23017 unterstützt zwei Kanäle mit je einer Breite von 8-Bit. Durch Konfiguration eines Datenrichtungsregisters können deren Pins zwischen Input- und Output umgeschaltet werden.
Die Expansion-Header entsprechen Stiftleisten zur Erweiterung der Funktionalität. So können für ein bestimmte Einsatzzweck erstellte Lochraster- bzw. Platinenaufbauten mit dem Board verwendet werden, solange sie den gleichen Footprint verwenden und die elektrischen Gegebenheiten passend antizipieren.
Zur Verbindung von Busteilnehmern kommen RJ-45-Steckverbinder zum Einsatz, die in der Netzwerktechnik weit verbreitet sind und daher leicht verfügbar bzw. erweiterbar sind. Das betrifft hauptsächlich die einfache und wartungsfreie Montage von Slave-Modulen im Gesamtsystem des Aufbaus.
Keine Kompatibilität zu Ethernet-Switches/-Hubs!
Die Belegung der RJ-45-Buchse ist proprietär und inkompatibel zu Ethernet.
Konkret leisten muss die RJ45-Buchse:
- Masseverbindung
- Reserviert
- I²C-Clock (+3.3V LVTTL)
- I²C-Data (+3.3V LVTTL)
- +12V DC-Versorgungsspannung
- Reset (Low-Active, +3.3V LVTTL)
- Reserviert
- Reserviert
Somit wird sichergestellt, dass selbst bei Verklemmung des I²C-Busses, ein durch den I²C-Master gesteuertes Reset ausgelöst werden kann. Die restlichen Aufgaben sind Datentransport und Bereitstellung einer gemeinsamen Spannungsquelle für alle Slaves. Die handelsüblichen Cat5-Kabel bieten für dieses kleine I²C-Bussystem auch den Vorteil einer recht hohen Abschirmung gegenüber HF-Einströmungen, da die Adern paarweise geschirmt sind (Twisted-Pair). Damit sollte eine für PWM ausreichend hohe Taktung des I²C-Busses auch über mal 2-3m hin gewährleistet sein.
Zur Kommunikation zwischen RaspberryPi und den angeschlossenen Verbrauchern dient der von Philips entwickelte I²C-Bus, der ähnlich wie der SPI-Bus zur Kommunikation zwischen IC auf und zwischen Leiterplatten dient (I²C=Inter-Integrated-Circuits). Aus diesem Design folgen ein paar ernsthafte Limitierungen:
- Der I²C-Bus ist nicht differentiell, d.h. es wird nicht wie etwa bei CAN- oder RS485 mit zwei Datenpotentialen (D+, D-) gearbeitet, deren Differenzspannung vom Empfänger gebildet wird.
- I²C ist somit anfällig für Gleichtaktstörungen (z.B. Zündfunken), hat aufgrund der niedrigen (LV)TTL-Pegel eine begrenzte Reichweite und benötigt ähnlich wie die RS232 immer eine gemeinsame Masse als Bezugspotential.
- I²C ist ein getakteter Bus
- I²C ist ein Master-Slave-Bussystem
- Anzahl Teilnehmer ist auf 127 begrenzt
- Datenbreite für Register ist im Durchschnitt bei 16-Bit (implementierungabhängig)
- Terminierung erforderlich
- Datenraten von bis zu 5Mbit/s möglich
- serieller Bus (MSB-first Übertragung)
Diese Master-Slave-Busarchitektur ermöglicht es dem Master, zyklisch Werte vom Bus abzufragen (Polling). Manche IC-Implementierungen ermöglichen zusätzlich die Verwendung von externen Interrupt-Pins, welche OnChange-Ereignisse signalisieren können. Aufgrund der dadurch resultierenden Verdrahtungskomplexität bietet sich das allerdings nur in speziellen Anwendungsfällen an, wo z.B. ein preiswerter und leistungsbegrenzter 8-Bit-Mikrocontroller (möglicherweise mit Optimierung auf maximale Batterielaufzeit) aufgrund eigener Resourcenrestriktionen und anderen integrierten Funktionen nicht ständig auf den I²C-Bus pollen kann.
Aus der Perspektive des RaspberryPi als I²C-Master bietet sich I²C sehr an, da mit den i2c-tools und dem Linux-Kernel-Modul i2c-bcm2708 eine sehr leistungsstarke und komfortable Schnittstelle zur Arbeit mit I²C bereit steht. Die sehr gute Linux-Unterstützung für I²C rührt u.a. historisch auch daher, dass viele Temperatur-Sensoren auf PC-Mainboards über dieses Protokoll adressiert wurden (Stichwort lm-sensors).
Die I²C-Slaves als Teilnehmer müssen mit eindeutigen Adressen kodiert sein. Zu diesem Zweck dienen beim MCP23017 die Pins A[0..2], wodurch sich 2³=8 Teilnehmer unterscheiden lassen. Die Slave-Adressierung wird durch den montierten DIP-Schalter durchgeführt.
Die Spannungsversorgung ist einheitlich auf +12V DC sichergestellt. Dies zum Einen dem Leistungsteil geschuldet, dessen Verbraucher diese Spannung erfordern, zum Anderen bietet sich dieser Spannungslevel aufgrund der Versorgung durch Kfz-Netzteile etc. an. Eine wichtige Rolle für die Versorgungsspannung spielt der I²C-Bus, der zur Kommunikation zwischen dem RaspberryPi und den Busteilnehmern dient. I²C funktioniert im Gegensatz zu CAN- Bus oder anderen Feldbussystemen wie RS-485 nicht differenziell. Das bedeutet in der Konsequenz, dass sowohl eine gemeinsame Masse, als auch ein gemeinsames Versorgungpotential notwendig ist.
Der Broadcom-ARM-Prozessor des RaspberryPi verwendet sowohl für GPIOs, als auch für SPI und I²C-Bus ein LVTTL-Pegel, d.h. +3.3V, welche sowohl für den I²C-Takt, als auch für die I²C-Datenleitung gelten.
Somit ergibt sich in der Konsequenz, dass als kleinster gemeinsamer Nenner zwischen RaspberryPi und GPIO-Extender beide auf LVTTL betrieben werden sollten.
Für diese Zwecke wird ein Low-Drop-Spannungsregler von Texas Instruments vom Typ LM1117 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117.pdf) eingesetzt.