Raspberry Pi GPIO Pinout & Control Guide

概要

Raspberry Piがただの小型PCでは無い大きな特徴の１つがこのGPIOです。これにより、LEDを光らせたり、センサーから情報を読み取ったり、モーターを動かしたりと自作機器の管理が簡単に可能になります。

基本構造

一列２０個のピンが２列（合計４０個）が基板上に配置されています。

それらのピンの役割は大きく分けると、”電源”、”GND”、”GPIOピン”の３つ。

電源ピン
- 3.3Vや5Vの電圧を供給
- 自作機器の電源に使用可。（消費電力に注意。大きな電力を必要とする機器は不可）
GNDピン　グランド。
GPIOピン
- GPIO0から27の28本。３．３Vロジック。
- GPIO0、1はHAT（Hardware Attached on Top）用
- GPIO2,3はプルアップ固定。その他のピンはソフトで設定可能。
- PWM用ピン
  - Software PWM available on all pins
  - Hardware PWM available on GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19
- SPI用ピン
  - SPI0: MOSI (GPIO10); MISO (GPIO9); SCLK (GPIO11); CE0 (GPIO8),CE1 (GPIO7)
  - SPI1: MOSI (GPIO20); MISO (GPIO19); SCLK (GPIO21); CE0 (GPIO18);CE1 (GPIO17); CE2 (GPIO16)
- I2C用ピン
  - Data: (GPIO2); Clock (GPIO3)
  - EEPROM Data: (GPIO0); EEPROM Clock (GPIO1)
- Serial用ピン：TX (GPIO14); RX (GPIO15)

GPIO０，１の使用を避けて自由に使えるのは２６本。デフォルトピン（I2C、SPI用）が有るがソフトで変更可能。

使い方

ピン番号の指定方法

GPIO.BCM（Broadcom SOC Channel
- デフォルトの設定。
- 機能に依存した呼び方。
GPIO.BOARD
- 物理ピン番号。
- コネクタ上に並ぶピンの物理的な番号を指定する方法。

使用前

Raspberry PiのOSは、「root（管理者）以外のユーザーはハードウェアに直接触れさせない」というルールが有る為GPIOにアクセスする時に。

管理者としてアクセスする。　sudo ....。
ユーザーをgpioグループに登録する： $ sudo usermod -a -G gpio $USER

使用後

GPIO.cleanup()を行う。（RPi.GPIOのみ）

GPIOピンを安全な『入力』状態（デフォルト）に戻す。
プログラムが占有していたリソースを解放するのが目的。
行わないと「Channel already in use」警告が出る

ライブラリ

主なライブラリとして”RPi.GPIO”と、”gpiozero”が有ります。

特徴	RPi.GPIO	gpiozero
設計思想	ピン番号をベースにした低レイヤー操作	コンポーネント（LED、ボタン等）をベースにした抽象化
学習難易度	若干複雑（初期設定が多い）	非常に簡単（初心者向け）
クリーンアップ	GPIO.cleanup() が必須	自動で行われる
コードの短さ	長くなりがち	非常に短い

RPi.GPIO

ライブラリのインポート
import RPi.GPIO as GPIO

GPIOピンのピン番号を指定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

入出力設定
GPIO.setup(11, GPIO.OUT)　　# GPIO11  -> OutPut
GPIO.setup(12, GPIO.IN)     # GPIO12  -> InPut

プルダウン／アップを伴った入力設定
GPIO.setup(12, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(12, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

データの入力
GPIO.input(12)

データの出力
GPIO.output(11, True)    /   GPIO.output(11, 1)         <-  出力High
GPIO.output(11, False)   /   GPIO.output(11, 0)         <-  出力Low

gpiozero

RPi.GPIOと違い直接入出力を指定しない。コンポーネントで指定。

カテゴリ	クラス名	主な用途・特徴
基本入力	Button InputDevice	スイッチ、ボタン。プルアップ/ダウン設定が可能。汎用的な入力。
基本出力	LED PWMLED DigitalOutputDevice	LEDの単純なON/OFF制御。 LEDの明るさ調整（0.0〜1.0）。汎用的な出力。リレーや単純な信号送信に。
高度な表示	RGBLED Buzzer LEDBarGraph	フルカラーLED。(R, G, B) で色を指定。ブザー。beep() メソッドで断続音も可能。複数のLEDを並べた音量メーターのような表示。
センサー	MotionSensor DistanceSensor LightSensor	PIR人感センサー。動きを検知。超音波距離センサー（HC-SR04など）。フォトレジスタ（LDR）を使用した明るさ検知。
モーター	Motor Servo Robot	DCモーターの回転方向と速度制御。サーボモーターの角度制御（-1〜1） 2つのモーターを組み合わせた走行ロボットの制御。

ライブラリのインポート
from gpiozero import Button, LED

GPIOピンのピン番号を指定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

入力設定
button = Button(17, pull_up=True) # プルアップ　（デフォルト）button = Button（17）と同じ
button = Button(17, pull_up=None) # プルアップ無し　（フロート）
button = Button(17, pull_up=False) # プルダウン

button.is_pressed   ＃押されていれば True、離れていれば False を返します。
button.value        ＃ 押されていれば 1、離れていれば 0 を返します。

出力設定
led = LED(18)
relay = DigitalOutputDevice(18)

led.on()       # 点灯  High
relay.off()    # 停止　Low
led.toggle()   # 状態を反転

# ボタンが押されたとき/離されたときの動作を登録
button = Button(17, pull_up=True)　＃ボタンが押されるとLow
led = LED(18)
button.when_pressed = led.on        ＃ボタンが押されたら
button.when_released = led.off      ＃ボタンが離れたら


プルダウン／アップを伴った入力設定
GPIO.setup(12, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(12, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

簡単なプログラム

9番ピン（GND）と　11番ピン（GPIO17)を使ってLEDを点滅させるプログラム。

LED connection circuit for Raspberry Pi GPIO

gpio.py python

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)          # GPIO番号指定
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)        # LEDピンを出力に設定
GPIO.output(17,0)               # LED消灯

for a in range(10):
    GPIO.output(17, 1)          # LED点灯
    time.sleep(1)               # 1秒待機
    GPIO.output(17, 0)          # LED消灯
    time.sleep(1)               # 1秒待機

GPIO.cleanup()                  # GPIOを解放
                                    

最後に

GPIOはRaspberry PIの魅力です。