西川和久の不定期コラム

「Raspberry Pi3 Model B」で遊んでみよう！Part2

～GPIO入門1。ポートのオン/オフとステータス取得編

  • 西川 和久

2016年6月20日 06:00

製品写真

　前回のPart1は「Raspberry Pi3 Model B」の簡単な紹介だったが、今回Part2はいよいよRaspberry Pi特有のGPIOをコントロールする。そう言う筆者もここから先は未知の世界。いろいろ調べながらの執筆となった。まずは基本。ポートをオン/オフし、LEDをピカピカさせてみたい。

GPIOの仕様

　GPIOとは“General Purpose Input/Output”の略であり、前回、「GPIO×26 3.3V/16mA、UART、I2C、SPI、I2S、PWM、5V、3.3V/50mAで構成」と書いたが具体的なピンアサインが分からないと何もできない。公式サイトによると、以下の図の通り。

Raspberry Pi3 Model BのGPIO。40ピン仕様
公式サイトより。赤色5v、橙色3.3v、黒色GND、白色Advanced use only
Embedded Linux Wikiより。GPIO、各ピンの具体的なアサイン。水色がI2C、黄色がUART、紫色(上26ピンまで)がSPI。I2Sはピン12/BCK、ピン35/WS、ピン40/SDATAとなる(マスタークロック信号のMCLKはない)更に詳しい情報はこちら。

　これによると赤色の5Vが2つ、橙色の3.3Vが2つ、黒色のGNDが8つ。そしてGPIOが上に12、下に14配置されている。またGPIOのそれぞれは複数の機能を割り当て可能で、今回は一番単純な操作のみを行なう。さらにに複雑な操作はPart3か4で扱う予定だ。

　なおGPIOはモデルによって26ピンと40ピンがあり、「Raspberry Pi3 Model B」は40ピン構成だ。互換性を保つため40ピン中1～26ピンまでは、26ピンモデルと同じ仕様になっている。

gpioコマンドを使ってコントロール

　一般的にWindowsでもLinuxでもハードウェアをコントロールするには、デバイスドライバを用意しなければならない。とは言え、ここからプログラミングが必要となるとハードルが高過ぎるため、今回インストールした「RASPBIAN」には、予め複数方法が用意されている。その1つが「gpio」コマンドだ。このコマンド1つで、GPIOの設定やステータスを得ることができる。

　手始めに、本当にソフトウェア的にGPIOをコントロールできるのか、公式サイトに見習って(笑)、LEDのオン/オフに挑戦する。回路は簡単！ピン12/GPIO18へLEDを接続、適当な抵抗を繋ぎ、ピン39/GNDへ落とす。これで準備は完了だ。

ピン12/GPIO18へLED接続し(+極)、(-極から)適当な抵抗でピン39/GNDへ落とす。ジャンク箱から漁った手持ちの抵抗の関係で少し暗め。回路的にブレッドボードを使うまでもないが、適当なピンソケットが無かったのでジャンパピンで代用

　まず、“gpio readall”でGPIOのステータスを表示してみると以下のようになった。

$ gpio readall
+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3---+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
|     |     |    3.3v |      |   |  1 || 2  |   |      | 5v      |     |     |
|   2 |   8 |   SDA.1 |   IN | 1 |  3 || 4  |   |      | 5V      |     |     |
|   3 |   9 |   SCL.1 |   IN | 1 |  5 || 6  |   |      | 0v      |     |     |
|   4 |   7 | GPIO. 7 |   IN | 1 |  7 || 8  | 1 | IN   | TxD     | 15  | 14  |
|     |     |      0v |      |   |  9 || 10 | 1 | IN   | RxD     | 16  | 15  |
|  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
|  27 |   2 | GPIO. 2 |   IN | 0 | 13 || 14 |   |      | 0v      |     |     |
|  22 |   3 | GPIO. 3 |   IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN   | GPIO. 4 | 4   | 23  |
|     |     |    3.3v |      |   | 17 || 18 | 0 | IN   | GPIO. 5 | 5   | 24  |
|  10 |  12 |    MOSI |   IN | 0 | 19 || 20 |   |      | 0v      |     |     |
|   9 |  13 |    MISO |   IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN   | GPIO. 6 | 6   | 25  |
|  11 |  14 |    SCLK |   IN | 0 | 23 || 24 | 1 | IN   | CE0     | 10  | 8   |
|     |     |      0v |      |   | 25 || 26 | 1 | IN   | CE1     | 11  | 7   |
|   0 |  30 |   SDA.0 |   IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN   | SCL.0   | 31  | 1   |
|   5 |  21 | GPIO.21 |   IN | 1 | 29 || 30 |   |      | 0v      |     |     |
|   6 |  22 | GPIO.22 |   IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN   | GPIO.26 | 26  | 12  |
|  13 |  23 | GPIO.23 |   IN | 0 | 33 || 34 |   |      | 0v      |     |     |
|  19 |  24 | GPIO.24 |   IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN   | GPIO.27 | 27  | 16  |
|  26 |  25 | GPIO.25 |   IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN   | GPIO.28 | 28  | 20  |
|     |     |      0v |      |   | 39 || 40 | 0 | IN   | GPIO.29 | 29  | 21  |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3---+---+------+---------+-----+-----+

　中央のPhysicalが実際のピンアサイン(BCMはGPIO番号、wPiはWiringPiと呼ばれるC言語のライブラリ用)なので、先の図を眺めつつ、何がどうなっているのか1つずつ追うのが理解の早道だろう。

　なお、GPIOの初期値は全てMode INになっており、V=1の部分はプルアップ(電源へ抵抗で釣る)、V=0の部分はプルダウン(GNDへ抵抗で落とす)の処理が内部的に行なわれ、オープン(ハイ・インピーダンス)になっているポートはないようだ。各GPIOのプルアップ/ダウンはプログラマブルで変更できる。

　gpioコマンドで特定のポートをコントロールするには、

1)ポート番号を指定してINかOUTを設定
2)ポート番号を指定してreadかwrite

の手順を踏む必要がある。またポート番号は“物理的なピン番号”か“GPIO番号”を指定可能だ。

$ gpio -1
※物理的なピン番号指定
$ gpio -g
※GPIO番号指定

　まず、ポートを出力用に設定する。コマンドは以下の通り。

$ gpio -g mode 18 out
※GPIO18を出力に設定
$ gpio -1 mode 12 out
※12pinを出力に設定(上記と同じ意味となる)


$ gpio readall
+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3---+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
|  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | OUT  | GPIO. 1 | 1   | 18  |
※確かにpin12/GPIO18のモードがOUTになった。V=0

　モードがOUTになったがV=0なのでLEDは消灯。LEDを点灯するにはV=1にする。コマンドは以下通り。

$ gpio -g write 18 1
※GPIO18を1に設定
$ gpio -1 write 12 1
※12pinを1に設定(上記と同じ意味となる)

$ gpio readall
+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3---+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
|  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 1 | OUT  | GPIO. 1 | 1   | 18  |
※確かにpin12/GPIO18のVが1になった。これでLEDは点灯する

　LEDを消灯するには

$ gpio -g write 18 0
※GPIO18を0に設定
$ gpio -1 write 12 0
※12pinを0に設定(上記と同じ意味となる)

　とすればよい。いかがだろうか? gpioコマンドを使えば、LEDのオン/オフ程度は非常に簡単に行えることがお分かり頂けたと思う。

　応用例としてPHPを使って、一定間隔LEDが点灯/消灯を繰り返すプログラムを書いてみた(2秒ずつオン/オフを5回)。

<?php
　　　　system("gpio -g mode 18 out");     // GPIO18を出力モードへ
　　　　for ($i = 0; $i < 5; $i++) {       // 5回繰り返し
　　　　　　　　system("gpio -g write 18 1");  // LED点灯
　　　　　　　　sleep(2);                      // 2秒そのまま
　　　　　　　　system("gpio -g write 18 0");  // LED消灯
　　　　　　　　sleep(2);                      // 2秒そのまま
　　　　}
?>

$ php led.php
※プログラムのファイル名がled.phpの場合、これで実行できる
実際に作動しているところ

　逆にGPIOのステータスを読み込むには、該当ポートをプルアップにして、GNDとショートさせた方が回路的に楽なので、ポートを入力モードに切り替えてから、

$ gpio -g mode 18 in
※GPIO18を入力に設定

$ gpio -g mode 18 up
※プルダウンの時はgpio -g mode 18 down

+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3---+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
|  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 1 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
※GPIO18がV=1となった。

として、GPIO18をプルアップにする。そしてそのままステータスを読み込むと、

$ gpio -g read 18
1
※GPIO18は1

　スイッチか何かでGPIO18とGNDをショートすると(プルアップしているため、ショートすると電流が流れるものの、KΩ単位の抵抗で釣っているので微々たるもの。問題ない)、

$ gpio -g read 18
0
※GPIO18は0

となる。パラレル出力の簡単なセンサーであれば、同様の手法で値を取得可能だ。センサーからのデータさえ得られれば、後はプログラムでその内容を処理すればいい。

Pythonを使ってコントロール

　「RASPBIAN」には“RPi.GPIO”と呼ばれるPythonのパッケージも用意されている。先にあげた“WiringPi”はC言語用でコンパイルが必要になるが、こちらはPHP同様、スクリプト言語なので即実行でき手軽だ。

　またgpioコマンドはコマンドレベルの操作となり、PHPなどではsystem()を使わなければならず美しくないが、こちらはファンクションで操作でき、美しく書くことができる。

　“RPi.GPIO”パッケージの詳細はこちらを参考にして欲しい。LEDをオン/オフする程度であれば、

setmode()　モード設定
setup()　　セットアップ
output()　 アウトプット
cleanup()　後片付け

この4つのファンクションを使えばいい。具体的なコードは以下の通り(LEDを5秒点灯して消灯する)。

#!/usr/bin/python
# coding: utf-8(ソースコードはutf8)

# timeモジュールをインポート
import time

# RPi.GPIOモジュールをインポートして別名GPIOとして扱う
# RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)などと書くのが面倒なため
import RPi.GPIO as GPIO

# GPIO番号で操作。物理的なpin番号で扱う場合は GPIO.setmode(GPIO.BOARD)となる
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# GPIO18を出力モードへ
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

# GPIO18を1へ。LED点灯
GPIO.output(18, 1)

# 5秒待つ
time.sleep(5)

# GPIO18を0へ。LED消灯
GPIO.output(18, 0)

# 後片付け
GPIO.cleanup()

これを例えばled.pyファイルに保存して、chmod +x led.pyで実行可能にした後、

$ ./led.py

で作動する。更に複数のGPIOへLEDを接続した場合、18と書いてダイレクトに指定している部分を配列とし、

bcm_list = [18,23,24]
GPIO.setup(bcm_list, GPIO.OUT)

と、このように書けば、配列の中で指定したポート全てが一度で設定可能だ。ポートを読み取るのは(別名GPIO、GPIO番号で操作の場合)、

# GPIO18を入力へ/プルアップ
GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
# GPIO18を入力へ/プルダウン(上記とどちらか)。
# もしくは , pull_up_down= 以降、必要なければ書かなくてもよい
GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

# 画面にGPIO18のステータス0か1を表示
print GPIO.input(18)

となる。

このように、コマンドラインでpythonを起動し、1行1行、コードを確認しながら試すこともできる。print GPIO.input(18)の1回目が1、2回目が0になっているのは、この間に、GPIO18とGNDをショートしたので、ステータスが変化している

　いずれにしても先のPHPでsystem()を使うより、よりプログラムらしくなるのがお分かり頂けただろうか。

　このほかGPIOの操作は、「ファイルシステムを使う方法」や、少し触れた「C言語のライブラリ“WiringPi”を使う方法」もあるので、興味のある人はインターネットで検索して欲しい。

　余談になるが、(正確には違うが)1bitのポート単位で(簡単とは言え)プログラミングするのは何十年ぶりか!?の勢いだ(笑)。

　筆者はもともとハードウェアからコンピュータを始めた世代で、一番初めに作ったのはオール手配線(笑)のMotorola MC6802を搭載したワンボードマイコン。当時高校生だったが、高価なNECの「TK-80」は買えずお年玉を握りしめてパーツを購入、自作した。

　その後、仕事でMSXのゲームを作ったり、Z80のワンボードを設計して外部機器をコントロールするなど、直接ポートを叩くプログラムが主だった記憶がある。当時、開発環境はCP/M80。C言語を使ったROM化も割と早い時期から実戦に投入した(確かWhitesmith C)。今回久々にポート叩いて「そう言えば……」と思い出した次第だ。

　Part2はGPIOを使う基本中の基本でポートをオン/オフし、LEDを点灯/消灯してみた。コントロール方法も複数あり、得意もしくは簡単なものから試すのがいいだろう。次回Part3は、もう少し実用的(?)なGPIOのコントロールを行ってみたい。

次回予告