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Raspberry Pi Überblick

Was ist ein Raspberry Pi​

Der Raspberry Pi ist ein kleiner Einplatinencomputer. Neben den üblichen Anschlüssen (USB, HDMI, Netzwerk) besitzt er eine Reihe von GPIO-Pins, über die elektronische Bauteile direkt angeschlossen werden können — das macht ihn zu einer beliebten Plattform für Hardware-Projekte.

GPIO-Pins​

GPIO steht für General-Purpose Input/Output (Allzweck-Ein-/Ausgabe). Die Pin-Leiste vereint mehrere Arten von Pins:

  • Stromversorgungs-Pins: feste 3,3 V- und 5 V-Ausgänge zur Versorgung von Bauteilen.
  • Masse-Pins (GND): der gemeinsame Bezugspunkt bzw. Rückleiter für den Strom.
  • I/O-Pins: frei programmierbare Pins, die ausgelesen (Input) oder gesetzt (Output) werden können.

Ein GPIO-I/O-Pin ist rein digital: Er kennt nur HIGH (3,3 V) und LOW (0 V). Eine analoge Spannung kann er nicht direkt messen, daher benötigt ein analoger Sensor einen Analog-Digital-Wandler (ADC) dazwischen. Umgekehrt wird ein analogähnlicher Ausgang mit Pulsweitenmodulation (PWM) angenähert.

Sensoren vs. Aktoren​

Bauteile lassen sich in zwei gegensätzliche Rollen einteilen:

  • Ein Sensor ist ein Bauteil, das eine physikalische Größe aus der Umwelt (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Beschleunigung usw.) in ein elektrisches Signal umformt.
  • Ein Aktor ist der Gegenspieler des Sensors und macht genau das Gegenteil: Er setzt ein elektrisches Signal in eine physikalische Größe wie Bewegung, Druck, Schall oder Licht um.
RolleRichtungBeispiele
SensorUmwelt => elektrisches SignalTemperatursensor, Lichtsensor
Aktorelektrisches Signal => UmweltMotor, Lampe/LED, Lautsprecher, Buzzer

Das Breadboard​

Ein Breadboard (Steckbrett) ermöglicht das Verbinden von Bauteilen ohne Löten, Kabel und Bauteilbeine werden einfach in die Löcher gesteckt. Löcher, die zum selben internen Streifen gehören, sind elektrisch miteinander verbunden:

  • Die beiden langen Stromschienen an den Rändern (mit + und - markiert) verlaufen über die gesamte Länge der Platine. Sie werden meist einmal von einem 3,3 V- / 5 V-Pin und einem GND-Pin gespeist, sodass Strom und Masse überall verfügbar sind.
  • Die inneren Kontaktstreifen verbinden die Löcher jeder kurzen Spalte miteinander, getrennt durch eine Lücke in der Mitte der Platine.

Bauteile, die im selben verbundenen Streifen stecken, teilen sich eine elektrische Verbindung — so wird eine Schaltung aufgebaut.

Bauteile anschließen​

Die meisten Bauteile besitzen einige klar definierte Anschlüsse. Die drei häufigsten sind Stromversorgung (VCC / +), Masse (GND / -) und eine Signalleitung.

BauteilRolleAnschlüsseWeitere Erklärung
LED / LampeAktorAnode (+), Kathode (-)längeres Bein ist +, kürzeres Bein ist -
TemperatursensorSensorVCC (+), GND (-), Signaldas Signal überträgt den Messwert an einen GPIO-Pin
BuzzerAktor+ (Signal), - (GND)das Signal schaltet bzw. steuert den Ton

Gängige Anschlussbezeichnungen​

Sensormodule und Breakout-Boards schreiben ihre Anschlüsse selten aus, stattdessen drucken sie kurze, standardisierte Abkürzungen neben jeden Pin:

  • VDD / VDC / VCC (+): die positive Versorgungsspannung (Stromzufuhr). VDD und VCC stammen aus dem Chip-Design, VDC bedeutet schlicht „Volt DC"; in der Praxis kennzeichnen alle drei den Versorgungs-Pin (z.B. 3,3 V oder 5 V).
  • GND / VSS (-): Masse, der gemeinsame Bezugspunkt und Rückleiter für den Strom.
  • SDA: die Datenleitung des I2C-Busses, über die ein Sensor Werte mit dem Pi austauscht.
  • SCL: die Taktleitung des I2C-Busses, die beide Seiten synchron hält.

I2C ist ein Zwei-Draht-Bus (SDA + SCL), über den sich mehrere digitale Sensoren dieselben zwei GPIO-Pins teilen können, jeder einzeln adressiert. Ein I2C-Sensor benötigt keinen ADC, die Umwandlung in digitale Werte geschieht bereits im Modul.

LED / Lampe​

Eine LED hat zwei Beine mit fester Polung:

  • Anode (+): das längere Bein, zur GPIO-/Plus-Seite hin angeschlossen.
  • Kathode (-): das kürzere Bein (auch durch die abgeflachte Kante am Rand markiert), an GND angeschlossen.

Eine LED muss immer über einen Vorwiderstand betrieben werden, um den Strom zu begrenzen — ohne ihn zieht die LED zu viel Strom und brennt durch.

Temperatursensor​

Ein typisches Sensormodul besitzt drei Pins:

  • VCC (+): Stromversorgung, z.B. 3,3 V.
  • GND (-): Masse.
  • Signal: der Ausgang, der den Messwert überträgt.

Ist das Signal analog (eine zur Temperatur proportionale Spannung), kann es nicht direkt an einen GPIO-Pin — zuvor wird ein ADC benötigt.

Buzzer​

Ein Buzzer hat nur zwei Anschlüsse, + (Signal) und - (GND), und kommt in zwei Varianten vor:

  • Aktiver Buzzer: enthält einen eigenen Oszillator und benötigt nur ein HIGH-/LOW-Signal, um den Ton ein- und auszuschalten. Er gibt einen einzigen, fest eingestellten Ton wieder.
  • Passiver Buzzer: hat keinen Oszillator und kann unterschiedliche Töne wiedergeben, benötigt dafür aber ein wechselndes Signal. Die Tonhöhe wird über die Frequenz eines PWM-Signals festgelegt.

Siehe auch​