Raspberry Pi 4 und Pico (Leseprobe)

Raspberry Pi 4 und Pico

Pfiffige Projekte zum Messen, Steuern und Regeln

Raspberry Pi 4 und Pico

Pfiffige Projekte zum Messen, Steuern und Regeln

● Dr. Günter Spanner

● © 2023: Elektor Verlag GmbH, Aachen.

1. Auflage 2023

● Alle Rechte vorbehalten.

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● ISBN 978-3-89576-569-8 Print

ISBN 978-3-89576-570-4 eBook

● Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL)

Druck: Ipskamp Printing, Enschede (NL)

Elektor Verlag GmbH, Aachen

www.elektor.de

Elektor ist die weltweit wichtigste Quelle für technische Informationen und Elektronik-Produkte für Maker, Ingenieure und Elektronik-Entwickler und für Firmen, die diese Fachleute beschäftigen. Das internationale Team von Elektor entwickelt Tag für Tag hochwertige Inhalte für Entwickler und DIY-Elektroniker, die über verschiedene Medien (Magazine, Videos, digitale Medien sowie Social Media) in zahlreichen Sprachen verbreitet werden. www.elektor.de

Warnhinweise

• Die Schaltungen und Boards (Raspberry Pi 4, Raspberry Pi Pico) in diesem Buch dürfen nur mit geprüften, doppelt isolierten Sicherheitsnetzgeräten betrieben werden. Isolationsfehler eines einfachen Netzteils könnten zu lebensgefährlichen Spannungen an nicht isolierten Bauelementen führen.

• Leistungsstarke LEDs können Augenschäden verursachen. Niemals direkt in eine LED blicken!

• Autor und Verlag übernehmen keinerlei Haftung für Schäden, die durch den Aufbau der beschriebenen Projekte entstehen.

• Elektronische Schaltungen können elektromagnetische Störstrahlungen aussenden. Da Verlag und Autor keinen Einfluss auf die technischen Ausführungen des Anwenders haben, ist dieser selbst für die Einhaltung der relevanten Emissionsgrenzwerte verantwortlich.

Programmdownload

Die vollständigen Programme aller im Buch besprochenen Projekte können kostenlos von der Elektor-Store-Website

www.elektor.de

heruntergeladen werden. Sofern ein Programm nicht identisch mit dem im Buch beschriebenen ist, sollte die Version aus dem Download verwendet werden, da es sich dabei um die aktuellere Version handelt.

Raspberry Pi 4 und Pico ●

Kapitel 1 • Einführung

Der Raspberry Pi dominiert seit vielen Jahren die Maker-Szene. Insbesondere die frei verfügbaren I/O-Pins des Mini-Rechners machten ihn zu einem der beliebtesten ProzessorBoards aller Zeiten. Allerdings weist der Pi auch einige Nachteile auf. Zum einen sind die Pins direkt, d. h. ohne Treiber oder Schutzschaltung mit den freiliegenden Kontakten verbunden. Dadurch kann der zentrale Controller und damit der gesamte Raspberry schnell zerstört werden. Schon eine kurzzeitige fehlerhafte Kontaktierung mit 5 Volt kann das Ende des Controller-Boards bedeuten.

Zum anderen verfügt der klassische Raspberry über keinerlei Analogeingänge. Eine direkte Messung analoger Werte ist damit nicht möglich. So können weder Photodioden noch NTCs oder Hallsensoren o. Ä. unmittelbar ausgelesen werden.

Mit dem Pico kann dieses Problem elegant gelöst werden. Er kann als sogenanntes "Frontend" problemlos vielfältige Messaufgaben übernehmen. Zudem ist der Pico deutlich preisgünstiger als etwa ein Raspberry Pi 4 mit 8 Gigabyte RAM. Falls also eine Fehlbeschaltung zur Zerstörung des Pico führt, ist dies vor allem für nicht-professionelle Anwender wesentlich leichter zu verkraften.

Der klassische Raspberry Pi und der Pico werden so zum idealen Duo, mit welchem auch anspruchsvolle Messaufgaben gelöst werden können. Neben vielen Anwendungen der einzelnen Boards sollen in diesem Buch daher insbesondere auch Projekte vorgestellt werden, welche die Vorteile beider Systeme kombinieren.

1 .1 . Voraussetzungen und Ziele

Das vorliegende Buch führt in das weite und hochaktuelle Gebiet der modernen Controllertechnik anhand der beiden kannten Boards "Raspberry Pi" und "Raspberry Pi Pico" ein. Die generellen Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik werden nur so weit behandelt wie es für den Aufbau der Schaltungen und Experimente unbedingt notwendig ist. Eine tiefergehende Einführung in diese Grundlagen ist in der einschlägigen Literatur zu finden. Auch das Basiswissen für die Arbeit mit dem klassischen Raspberry Pi und der Umgang mit Pi OS sollte vorhanden sein. Im Bedarfsfall können diese Kenntnisse ebenfalls in der umfangreichen Literatur hierzu nachgelesen werden.

Neben einer tiefer gehenden Einführung in die Arbeits- und Funktionsweise der Controllerboards selbst wird insbesondere auch auf die Messwerterfassung und -verarbeitung mit digitalen Prozessoren eingegangen. Sowohl der Raspberry Pi in seiner klassischen Ausführung als Motherboard als auch der Raspberry Pi Pico als Microcontroller sind hierfür bestens geeignet. Nicht nur deshalb erfreuen sich beide Systeme großer Beliebtheit und haben einen weiten Anwenderkreis gefunden.

Die Boards der Raspberry Pi Familie sind kostengünstig erhältlich und zeichnet sich durch einfache Anwendbarkeit aus. Sie eignen sich daher ausgezeichnet als Einsteigersysteme in das weite Gebiet der Elektronik, der Controllertechnik und der digitalen Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten.

In diesem Buch soll aber nicht nur die einfache Anwendung der Boards erläutert werden, sondern es werden auch praktisch anwendbare kleine Geräte wie

• Computerthermometer

• Voltmeter

• Frequenzmesser und -generatoren

entstehen. Einigen hochinteressante Anwendungen wie

• Energiesparmonitor

• Welche Astronauten sind im Orbit, oder ein

• Mini-Monitor für den aktuellen Bitcoin-Kurs

runden das Programm ab.

1 .2 . Erforderliches Material und Hardwareüberblick

Für die erfolgreiche Arbeit mit dem Buch sind vor allem zwei Komponenten erforderlich:

• Raspberry Pi in der klassischen Ausführung

• Raspberry Pi Pico

Der klassische Raspberry Pi ist inzwischen in der 4. Version erhältlich (im Folgenden als "Pi 4" bezeichnet). Der Pi 4 kann als leistungsfähiger Computer betrachtet werden, der im Vergleich zu seinen Vorgängern eine deutliche Verbesserung in Hinblick auf Performance und Ausstattung aufweist. Dennoch ist die neueste Version weitestgehend abwärtskompatibel zu ihren Vorgängern. Die Anzahl möglicher Einsatzgebiete hat sich damit deutlich erhöht. Mit dem Raspberry Pi 4 sind Projekte möglich, die zuvor an geringem Arbeitsspeicher und zu langsamer Arbeitsgeschwindigkeit gescheitert wären.

Leistungsmerkmale des Pi 4 sind durchaus mit einem modernen PC vergleichbar:

• CPU: Broadcom BCM2711 mit Quad-Core Cortex-A72 (ARM v8), 64 Bit, 1,5 GHz

• RAM: Wahlweise 1, 2, 4 oder 8 GB LPDDR4 SDRAM

• WLAN: IEEE 802.11.b/g/n/ac (2,4 und 5 GHz)

• Bluetooth 5.0

• USB: 2.0 und 3.0 (je 2 Ports)

• LAN: Gigabit Ethernet RJ45 Port

• HDMI: 2 x Micro-HDMI

Hinzu kommen 40 GPIO-Pins, die auf eine Pinleiste geführt sind. Die Anschlüsse sind ebenfalls zu früheren Versionen kompatibel, sodass eventuell bereits vorhandene Aufsteckmodule, sogenannte HATs), weiterverwendet werden können.

Hinzu kommen noch die folgenden Schnittstellen:

• DSI Display Port

• CSI Camera Port

• 4-poliger Stereo Audio und Composite Video Anschluss

Die Stromversorgung des Pi erfordert 5V/3A, die über einen USB-C-Stecker zugeführt werden. Für die Arbeit mit dem Buch wird ein Raspberry Pi 4 mit 8 GB empfohlen. Diese Va-

Raspberry Pi 4 und Pico ●

riante erlaubt flüssiges Arbeiten und bietet auch genügend Reserven für umfangreichere Projekte.

Drüber hinaus ist ein Raspberry Pi Pico ("Pico") erforderlich. Auch dieses Board liegt inzwischen in mehreren Varianten vor. Anders als die erste Version verfügen die neueren Boards dank des Infineon Wireless-Chips ("Pico W") auch über ein WLAN-Interface. Wie beim Pico ist das Herzstück eines jeden Pico W aber ebenfalls ein RP2040 Controller. Dieser sorgte für Aufsehen, da dies der erste Siliziumchip war, den die Raspberry Pi Foundation selbst herstellte.

Da beide Varianten sowohl mit angelöteten als auch ohne Pinleisten geliefert werden ergeben sich die folgenden vier Versionen:

Variante Pinleiste WLAN

Pico ohne Nein

Pico H fertig verlötet Nein

Pico W Nein Ja

Pico WH fertig verlötet Ja

Die meisten Projekte in diesem Buch können mit einem klassischen Pico durchgeführt werden. Anwendungen mit WLAN-Funktion bleiben natürlich dem Pico W vorbehalten.

Der Pico verfügt über die folgenden Leistungsmerkmale:

• Prozessor: RP2040 (Dual ARM Coretex-M0+ mit 133 MHz

• RAM: 256 KB

• Flashspeicher: 2 MB Flash für Code und Daten

Der Pico W unterstützt mit dem CYW43439 Chip IEEE 802.11 b/g/n WLAN und Bluetooth

5.2. Bislang steht für Bluetooth-Anwendungen allerdings kein Software-Paket zur Verfügung. Daneben sind die wichtigsten Schnittstellen vorhanden:

Abbildung 1.1: Raspberry Pi 4

Raspberry Pi 4 und Pico

• 2x UART

• 2x SPI SPI mit zwei separaten Bussystem

• 2x I2C

• 16x PWM-Kanäle

●

Abbildung 1.2:Raspberry Pi Pico und Pico W

Kapitel 2 • Raspberry Pi – eine Erfolgsgeschichte

Der Raspberry Pi hat ohne Zweifel Geschichte geschrieben. Seine Entwicklung stellt eine unglaubliche Erfolgsstory dar. Er ist der erste Einplatinencomputer einer global aktiven Stiftung, der millionenfach verkauft wurde. Nachdem im Jahr 2006 die ersten Prototypen fertiggestellt waren, wurde sechs Jahre später der erste Raspberry Pi auf dem Markt angeboten. Das Ziel, jungen Menschen mit kostengünstiger Computertechnik für eigene Projekte zu versorgen wurde zweifelsohne erreicht.

2 .1 . Die Anfänge: Pi classic

Eben Upton, der Initiator des Raspberry Pi Projektes hatte erkannt, dass es im Bildungswesen ein schwerwiegendes Problem gab. Eben studierte Physik und Ingenieurwesen an der Universität Cambridge, bevor er für renommierte Unternehmen wie Broadcom, Intel und IBM arbeitete. Er arbeitete fünf Jahre, von 2006 bis 2011 und hauptsächlich abends und am Wochenende an seinem Einplatinencomputer-Projekt.

Hardware und Computersysteme waren nur zu hohen Preisen erhältlich. Dies führte dazu, dass Schüler und Studenten sich kaum mehr mit Informatik beschäftigten und die Computerbranche unter Nachwuchsmangel litt. Eine neuartiges und preisgünstiges Rechnersystem sollte dies grundlegend ändern. Da Computerhersteller immer schon gerne Früchte als Namenspaten verwendeten ("Apple, Acorns, Apricot usw. ") sollte diese Tradition mit der Himbeere (engl. Raspberry) fortgesetzt werden. Der Zusatz "Pi" war dagegen ein Verweis auf die Programmiersprache Python mit der die Geräte hauptsächlich programmiert werden sollten.

Der Raspberry Pi hat in der Geschichte der Computertechnik deutliche Spuren hinterlassen. Es ist eine unglaubliche Geschichte, von einem Ingenieur, der in seiner Freizeit Einplatinencomputer baut, zu einer globalen Stiftung, die weltweit über 15 Millionen Geräte verkauft hat.

Die Geschichte des Raspberry Pi begann 2006 mit der Erstellung erster Prototypen. Sechs Jahre später war der erste Raspberry Pi geboren. Das Hauptziel war es, jungen Menschen dabei zu helfen, die Computertechnik zu niedrigen Kosten – maximal ca. 30 $ waren das Ziel - zu entdecken.

Nachdem Sie nun verstanden haben, warum es den Raspberry Pi gibt, wollen wir mehr über die Hardwarespezifikationen und die Entwicklung des Raspberry Pi von Anfang an erfahren.

Ursprünglich sollten nur zwei Modelle entstehen:

• Modell A (billig)

• Modell B schnell

Die erste Version kostete etwa 25 Dollar. Dieser Preis wurde erreicht, indem sie eine spezielle Auswahl an Hardwarekomponenten, wie weniger USB-Ports und RAM getroffen wurde. Der Raspberry Pi 1 A verfügte über die folgenden Spezifikationen:

• Prozessor: ARM 700 MHz

• Arbeitsspeicher: 256 MB

• 1 USB-Anschluss

• 8 GPIO-Pins

• HDMI-, Audio- und SD-Steckplatz

Es folgte der Pi 1 A+ u. A. mit 17 GPIO-Pins und Micro-SD- statt SD-Kartenslot.

Dadurch wurde der Raspberry Pi 1 A+ kleiner und leichter als die erste Version.

Das Modell B ist eine leistungsstärkere Version mit 512 MB, 2 USB-Anschlüssen, HDMI sowie

10/100-Ethernet-Anschluss. Mit 500.000 verkauften Exemplaren in den ersten 6 Monaten gelang ein überragender Verkaufserfolg.

In den Jahren sie 2015 und 2016 erschien der Raspberry Pi 2 B mit zwei Unterversionen heraus. Erstmals wurde damit die 1 GB RAM Grenze durchbrochen.

Im Februar 2016 folgte die Version 3 des Raspberry Pi B. Damit hielten drahtlose Kommunikationsmöglichkeiten, wie Wi-Fi und Bluetooth direkt auf dem Mainboard Einzug. Es folgten der Pi 3 B+ und das Modell "Zero". Dieses war das erst Board das deutlich kleiner war als die bisher bekannten Versionen (ca. 65 mm x 30 mm). Aufgrund des Platzmangels sind weniger Ports vorhanden, aber CPU und RAM sind für viel Projekte vollkommen ausreichend. Es folgte der Zero W mit Wi-Fi und Bluetooth sowie einem eingebautem Kameraanschluss.

Die Verkaufszahlen der Raspberry Pi Foundation sprechen für sich:

bis 2012: ca. 500.000 verkaufte Einheiten

bis 2013: ca. 2 Millionen verkaufte Einheiten

bis 2015: ca. 5 Millionen verkaufte Einheiten

bis 2016: ca. 10 Millionen verkaufte Einheiten

bis 2017: ca. 12 Millionen verkaufte Einheiten

bis 2018: ca. 20 Millionen verkaufte Einheiten

Im Jahr 2020 wurde die 30 Millionen-Grenze überschritten. Der Raspberry Pi wurde damit zu einem der erfolgreichsten "Motherboards" aller Zeiten!

2 .2 . Eine neue Ära: Pi Pico

Der Raspberry Pi Pico kam im Januar 2021 mit einem Verkaufspreis von 4 US-Dollar auf den Markt. Es war das erste Board der Raspberry Pi Foundation, das auf einem einzigen Mikrocontroller-Chip basierte. Der RP2040-Controller, der eigenständig von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde verfügt über einen Arm Cortex M0+ Prozessor-Kern, sowie über eine flexibel einstellbare Taktfrequenz von bis zu 133 MHz.

Raspberry Pi 4 und Pico ●

Obwohl der Pico anderen Controllern rein technisch nicht wirklich überlegen ist, konnte er sich rasch etablieren. Hier spielen sicher auch der günstige Preis und einige spezielle Features wie die programmierbaren Eingabe-Ausgabe-Einheiten (PIO) eine wesentliche Rolle für den Erfolg des Pico.

Inzwischen ist mit dem seit Mitte 2022 verfügbaren Pico W auch eine WLAN-fähige Variante des Pico verfügbar. Es steht zu erwarten, dass diese für konkurrierende Boards eine ernsthafte Konkurrenz darstellen wird.

Der Raspberry Pi Pico wurde, wie der erste Raspberry Pi nicht mit dem Ziel entwickelt einen möglichst großen kommerziellen Erfolg zu erzielen. Im Vordergrund stand lediglich der Wunsch die Kosten zu decken und einen kleinen Gewinn zu erwirtschaften, der es erlaubt, weiterhin neue Versionen zu entwickeln. Die wichtigste Hoffnung war einmal mehr, ein Entwicklungsboard anzubieten zu können, das einfach zu bedienen, leistungsstark, flexibel und so preisgünstig wie möglich ist. Diese Ziele wurden erreicht - und mit einem Preis von 4 Dollar erzielte der Pico nach einem Monat im Verkauf die phantastische Marke von 1 Million verkauften Einheiten.

Mit dem Raspberry Pi Pico will das Unternehmen ähnliche Ziele erreichen wie mit dem Raspberry Pi. Was mit dem ersten Board im allgemeinen Computing erreicht wurde, soll mit dem Pico dasselbe in der Mikrocontrollertechnik erzielt werden. Daher ist der RP2040-Chip von großer Bedeutung für die künftige Entwicklung der Pi Foundation.

Es lohnt sich daher sicher, ihn im Auge zu behalten. Angesichts der großen Resonanz ist es sehr wahrscheinlich, dass die Anzahl der Projekte und Anwendungen, für den Pico ebenso stark zunehmen wird wie beim klassischen Pi. Damit entsteht eine Vielzahl neuer Optionen, insbesondere wenn man auch die Vielzahl der Möglichkeiten in Betracht zieht, die sich aus der Kombination beider Welten ergeben.

Kapitel 3 • Der klassische "RasPi"

Obwohl er im Prinzip ein komplettes Motherboard darstellt, ist der Raspberry Pi nicht größer als eine Kreditkarte. Er benötigt vergleichsweise wenig Strom und anstelle einer Festplatte kommt er mit einer einfachen SD-Karte aus. Der Pi kann an jeden Computer-Monitor mit HDMI- oder DVI-Eingang angeschlossen werden. Den Pi als "Computer" zu bezeichnen ist natürlich nicht ganz korrekt. Zu einem vollständigen Computer wie etwa einem PC gehört auch ein Bildschirm, ein Netzteil, Tastatur, Maus und ein Massenspeicher. All dies ist im Kaufpreis des Raspberry nicht enthalten. Wenn man diese unentbehrlichen Accessoires mit einrechnet, dann sieht es mit dem oft beworbenen "Computer" für kleines Geld schon wieder etwas anders aus.

Beim Raspberry Pi bekommt man also lediglich ein Motherboard. Dennoch wird der Pi sowohl von Makern und Bastlern als auch von professionellen Technikern und sogar Wissenschaftlern eingesetzt. Mit ihm lassen sich kostengünstig auch komplexe und vor allem hochinnovative Projekte umsetzen. Neben seiner umfangreichen Funktionalität als klassischer Rechner verfügt der Raspberry auch über eine GPIO-Pinleiste (für General Purpose Input Output). Damit können elektronische Bauelemente direkt angesteuert werden. Deshalb Pi bestens für die Erfassung, Auswertung und Darstellung von Sensorwerten geeignet. Aber auch die Ansteuerung von Aktoren wie Schrittmotoren oder Servos ist möglich.

Vor allem Zusammen mit der Programmiersprache Python bietet der Raspberry eine optimale Umgebung für die Umsetzung von Ideen aller Art. Im Bereich der Sensortechnik, der Robotik oder der Hausautomatisierung bietet der Pi Möglichkeiten, die früher nur teuren und aufwendigen Spezialsystemen vorbehalten waren.

Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Funktionseinheiten und Schnittstellen eines Pi 4. Wichtig ist vor allem in diesem Bild links oben zu erkennende GPIO-Pinleiste.

Abbildung 3.1: Funktionseinheiten der Raspberry Pi 4

Der Raspberry Pi 4B bietet eine vielfältige Palette von Anschlussmöglichkeiten:

• Einen USB-C-Anschluss zur Stromversorgung (5 V, 2,5 A bis 3 A, dies entspricht einer Leistungsaufnahme von bis zu 15 W). Der tatsächliche Stromverbrauch ist zumeist deutlich geringer. Er hängt stark von der CPU-Auslastung und dem Leistungsbedarf der an der Pin-Leiste oder den USB-Buchen angeschlossenen Peripherie ab.

• Je zwei USB-3.0- und zwei USB-2.0-Anschlüsse (alle im USB-A-Format).

Hier können

• USB-Sticks

• Festplatten

• SSDs

• Tastatur und Maus

• andere USB-Geräte

angeschlossen werden. Allerdings ist zu beachten, dass der Pi 4 an alle vier USB-Anschlüsse zusammen maximal 1.200 mA liefern kann.

• Zwei Micro-HDMI-Ausgänge für Bild und Ton, Auflösung bis zu 3.840×2.160 Pixel (entsprechend also 4K). Ein Monitor kann selbst bei voller Auflösung mit 60 Hz angesteuert werden. Wenn zwei 4K-Monitore zugleich angeschlossen sind, sinkt die Bildfrequenz auf 30 Hz.

• Einen kombinierten Audio-Video-Ausgang für einen vierpoligen 3,5-mmKlinkenstecker. Wird das Videosignal nicht genutzt, ist das Audiosignal über einem gewöhnlichen dreipoligen 3,5-mm-Klinkenstecker verfügbar.

• Micro-SD-Slot (SDHC)

• Ethernet-Anschluss (GBit-Ethernet)

• Eine Steckerleiste mit 40 Pins mit General Purpose Input/Output Kontakten (GPIOs) sowie UART, I²C-Bus, SPI-Bus, I²S-Audio.

• Vierpolige Steckerleiste für den Anschluss einer Power-over-EthernetErweiterung (»PoE HAT«)

• Integrierten WLAN-Adapter (2,4 GHz und 5,0 GHz, IEEE 802.11ac)

• Bluetooth-Adapter (Version 5, BLE)

Der Raspberry Pi und die SD-Karte mit dem Betriebssystem werden meist nicht als fertiges Komplettsystem geliefert. Um mit dem Pi arbeiten zu können, muss das aktuelle Betriebssystem auf die die SD-Karte geladen werden. In den folgenden Abschnitten wird dargelegt, wie man dabei am besten vorgeht.

Raspberry Pi 4 und Pico

3 .1 . Stromversorgung

Das Netzteil ist entscheidend dafür, dass der Raspberry Pi stabil und zuverlässig funktioniert. Prinzipiell könnten auch ausrangierte Smartphone-Netzteile für den Betrieb des Pi 4 verwendet werden. Allerdings kann es dabei zu schwerwiegenden Problemen kommen. Je nachdem, wie die CPU ausgelastet ist und wie viele Zusatzkomponenten wie Maus, Tastatur, USB-Sticks Kameramodul oder andere Peripherie angeschlossen sind, benötigen die Raspberry-Pi-Modelle bis zu über 15 W Leistung. Bei einer Spannung von 5 V entspricht das einer Stromstärke über 3.000 mA. Ohne externe Geräte und im Leerlauf reichen meist ca. 5 W bzw. 1.000 mA aus. Dennoch muss die Stromversorgung so ausgelegt sein, dass der Minirechner auch unter maximaler Last stabil läuft.

Falls das Netzteil zu knapp bemessen ist, treten Effekte auf, die auf dem ersten Blick nichts mit einer mangelhaften Stromversorgung zu tun haben, denn Aussetzer bei Tastatur, Maus, Bildschirm-Darstellung und Verbindungsprobleme bei LAN und WLAN können vielfältige Ursachen haben. Ein wichtiger Hinweis darauf, dass die Stromversorgung problematisch sein könnte, ist ein Blitz-Symbol in der rechten oberen Ecke des Bildschirms.

Viele Steckernetzteile zum Laden von Smartphones und Tablets liefern keine hochstabile Spannung, da es beim Laden akkubetriebener Geräte nicht auf die Stabilität der Ausgangsspannung ankommt. Bei einem Raspberry Pi dagegen ist eine stabilisierte Betriebsspannung von 5 Volt erforderlich.

Der Raspberry Pi dagegen nimmt bei Unterspannung USB-Ports außer Betrieb. Das führt zu Fehlfunktionen einzelner USB-Geräte oder des gesamten Systems. Wenn die Mindestspannung wieder zur Verfügung steht, werden der USB-Port und die daran angeschlossene Geräte wieder in Betrieb genommen. Tastatur und Maus werden sich automatisch wieder anmelden, LAN- und WLAN-Verbindungen müssen jedoch oftmals manuell reaktiviert werden.

Grundsätzlich wird der Raspberry Pi mit einer Nominalspannung von 5,0 V am USB-Eingang mit Energie versorgt. Idealerweise sind es sogar 5,1 V weil durch Steckverbindungen und Leitungen Verluste entstehen. Zudem unterliegen Spannungsstabilisierung einer Exemplar-Streuung und geringe Schwankungen können durch die etwas größere Spannung ausgeglichen werden.

Darüber hinaus ist die sogenannte "Brown-out"-Schwelle bei Pi 4 sehr knapp bemessen. Bei dieser Spannungsgrenze starten interne Mechanismen zur Begrenzung der Stromaufnahme. Auch hier bietet eine etwas höhere Eingangsspannung mehre Sicherheitsabstand.

Neben dem Spannungspegel ist die Stromcharakteristik der zweite wichtige Parameter eines Netzteils. Im Gegensatz zu den früheren Modellen benötigt der Raspberry Pi 4 B ein USB-Netzteil mit 5,1 Volt und 3 Ampere Maximalstrom.

Neben dem Blitz-Symbol auf dem Bildschirm liefert die rote LED des Raspberry Hinweise auf Probleme mit der Stromversorgung. Im Normalfall leuchtet diese LED kontinuierlich. Wenn sie jedoch zu blinken beginnt, ist meist ein Unterspannungsproblem die Ursache.

Kapitel 3 • Der klassische "RasPi"

In diesem Falle sollte man den Gesamtstromverbrauch des Pi überprüfen. Insbesondere externe USB- Komponenten sollten dabei mit in Betracht gezogen werden.

Um die vielfältigen Probleme bei einer instabilen Energieversorgung zu vermeiden, sollte man ein speziell für den Pi 4 zugelassenes Netzteil mit einer entsprechend stabilisierten Spannung von 5,1 V verwendet werden. Die Folgende Abbildung zeigt ein solches Steckernetzteil.

Abbildung 3.2: Raspberry Pi Stecker-Netzteil

Hinweis: Raspberry-Pi-Modelle weisen unterschiedliche USB-Buchsen zur Stromversorgung auf: Bis zur 3er-Serie waren Micro-USB-Buchsen üblich. Der Raspberry Pi 4B verfügt hingegen über eine USB-C-Buchse.

3 .2 . Installation des Betriebssystems für den Raspberry Pi

Die Installation des Betriebssystems für den Pi erfolgt über einen PC mit SD-Card-Reader. Der Download wird für die wichtigsten Betriebssysteme:

• Windows

• macOS

• Ubuntu for x86

angeboten und findet sich unter

https://www.raspberrypi.com/software/

Das Pi OS-Betriebssystem wird auf eine neue oder neu formatiert µSD-Karte (mindestens 16 GB) geschrieben. Im Auswahlmenü des Installers ist dabei die Option Raspberry Pi OS (32-bit) zu wählen. Danach muss man nur noch die Karte in den Pi einsetzen und booten.

Abbildung 3.3: Auswahl von Pi OS im Installer

Alternativ kann man auch SD-Karten erwerben, auf welchen das fertige Betriebssystem bereits vorinstalliert ist. Dies ist sicher die einfachste Option. Oftmals werden auch sogenannte "Bundles" angeboten, welche sowohl den RasPi selbst als auch eine passende SD-Karte mit fertigem Raspbian enthalten.

Nach dem Booten des neuen Betriebssystems müssen einige Einstellungen wie die Auswahl des Landeskategorie oder der Tastatur vorgenommen werden. Zudem kann auch der WLAN-Zugang eingerichtet werden. Das hierzu erforderliche Passwort findest sich meist auf dem heimischen WLAN-Router oder im zugehörigen Handbuch.

Für dieses Buch wurde Pi OS 11 "Bullseye" verwendete. Leider ist nicht garantiert, dass alle Programme und Hardware-Varianten auch unter früheren oder späteren Versionen von Pi OS laufen. Falls als unerwartet Fehler auftreten, sollte man daher in Betracht ziehen, auf die Pi OS Version 11 zu wechseln.

Nach dem vollständigen Start-up erscheint der graphische Desktop des Pi OS:

Abbildung 3.4: Frisch Installiertes Pi OS 11 ("Bullseye")

3 .3 . Versionen und Varianten

Für die Arbeit mit dem Pi wir immer wieder ein sogenanntes "(LX-) Terminal" benötigt. Diese wird über das kleine Symbol links unten auf dem Pi-Desktop geöffnet:

Abbildung 3.5: Öffnen des LX-Terminals

Falls bereits ein fertig installiertes System zur Verfügung steht, kann über das Terminal dessen Version über

cat /etc/os-release

ausgelesen werden:

PRETTY_NAME="Raspbian GNU/Linux 11 (bullseye)"

NAME="Raspbian GNU/Linux"

VERSION_ID="11"

VERSION="11 (bullseye)"

VERSION_CODENAME=bullseye

ID=raspbian

ID_LIKE=debian

HOME_URL="http://www.raspbian.org/"

SUPPORT_URL="http://www.raspbian.org/RaspbianForums"

BUG_REPORT_URL="http://www.raspbian.org/RaspbianBugs"

Damit kann im Zweifelsfall festgestellt werden, ob die gewünschte Version bereits installiert ist, oder ob ein Update durchgeführt werden muss.

3 .4 . Das Linux-Dateisystem

Beim für den Raspberry maßgeschneiderte Betriebssystem Pi OS handelt es sich um eine spezielle Linux-Version. In Linux werden viele Objekte, wie z. B. auch Schnittstellen etc. als Dateien dargestellt. Es ist daher vorteilhaft, wenn man sich zumindest einen rudimentären Überblick über das Dateisystem des Pi verschafft. Alle Dateien werden wie üblich in Ordnern in einer baumartigen Struktur gespeichert:

- {user}

- desktop

- python_games

- sonstiges_Verzeichnis

Für das "{user}"-Verzeichnis wird der bei der Installation angegeben Benutzername (Standard "Pi") verwendet. Diese Struktur ist zunächst nicht von großer Bedeutung. Später wird sie allerdings wichtig, insbesondere wenn verschiedene Dateien gesucht oder abgelegt werden müssen. In diesem Fall kann man sich am oben angegebenen Dateibaum orientieren.

3 .5 . Die wichtigsten Linux-Befehle

Bei der Arbeit mit dem Pi ist zu beachten, dass bei Linux zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden wird. Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht zu den wichtigsten Linux-Befehlen. Diese werden immer wieder benötigt, wenn man mit dem Terminal arbeitet:

ls Dateien auflisten

ls -l bzw. ls -lh Dateien übersichtlich inkl. Zugriffsrechten auflisten

shutdown-h now Raspberry Pi herunterfahren (-h = halt)

shutdown-r now Raspberry Pi neu starten (-r = restart)

cd xyz in Verzeichnis xyz wechseln

cd .. ein Verzeichnis höher

mkdir xyz Verzeichnis erstellen (make directory)

rmdir xyz Verzeichnis löschen (remove directory)

nano datei Datei editieren (im Editor: Strg-o für Speichern Strg-x für Exit)

rm datei Datei löschen

pwd aktuelles Verzeichnis (print current workingdir), z. B. /home/pi

whoami aktuellen Benutzernamen anzeigen, z. B. pi

date Datum und Uhrzeit anzeigen

ifconfig IP-Adresse usw. anzeigen

whatis befehl Grobbeschreibung von "befehl", z. B. whatis ls man befehl ausführliche Beschreibung von befehl, z. B. man ls

df / -h Speicherkartengröße anzeigen lsusb angeschlossene USB-Geräte anzeigen mv datA datB Datei verschieben oder umbenennen

Obwohl Pi OS über eine grafische Oberfläche verfügt, kommt man nicht immer umhin, auch die klassischen Linux-Befehle zu verwenden. Zumindest die elementaren Anweisungen sollten dem erfahrenen Anwender daher geläufig sein.

3 .6 . Raspberry Pi fernsteuern: Remote Desktop Eine sogenannte Remote-Desktop-Verbindung erlaubt es, von einem Rechner aus, einen anderen zu steuern. Dies ist beim Einsatz des Raspberry Pi besonders vorteilhaft, da man so auf einem zusätzlichen Monitor oder das Wechseln zwischen zwei Systeme verzichten kann.

Zwar kann man den Raspberry Pi fast ausschließlich per Konsole bedienen, einige Programme sind jedoch nur über die graphische Oberfläche (GUI) zu steuern. Der "Remote Desktop" ist auf allen modernen Windows Systemen vorhanden. Da keine zusätzliche Software erforderlich ist, bietet er sich für den Einsatz mit dem RasPi an.

Auf dem Pi muss nur ein neues Paket installiert werden:

sudo apt-get install xrdp

Die wichtigsten und empfohlenen Einstellungen sind bereits vordefiniert. So kann man sich nach der Installation direkt einloggen. Entweder kann hierfür der Computername des Raspberry Pi 4 oder seine Internetadresse genutzt werden:

Abbildung 3.6: Einloggen via Remote Desktop

Auf dem Windows PC wird die Verbindung durch Starten des "Remote Desktop" hergestellt. Für Mac OS stehen dafür eine App von Microsoft und für Linux der "rdesktop" zur Verfügung.

Raspberry Pi 4 und Pico

Es ist zu beachten, dass unter Pi OS 11 ein bereits eingeloggter User nicht nochmals über Remote-Desktop eingeloggt werden kann. Gegebenenfalls muss also das Auto-Login des Systems abgeschaltet werden.

Nach dem Einloggen steht der Pi als eigenes Fenster in Windows zur Verfügung:

Abbildung 3.7: RasPi-Desktop als Windows-Fenster

Für die Arbeit mit dem Remote Desktop haben sich die folgenden Tastatur-Shortcuts als nützlich erwiesen:

• ctrl+alt+break versetzt den Remote Desktop in den full screen mode und wieder zurück in den Fenster-Modus

• Über alt+tab kann im Vollbildmodus zwischen einzelnen Anwendungen gewechselt werden

• Alt-Insert funktioniert im Fenstermodus ähnlich wie alt+tab

• Mit alt-PgDown und alt-PgUp kann im Fenstermodus ebenfalls zwischen Anwendungen gewechselt werden

Zudem kann die Copy-und-Paste-Funktion über die Systeme PC und Raspberry hinweg eingesetzt werden.

Aber nicht nur Windows-PCs können als Remote Desktops fungieren. Auch auf AndroidSmartphones oder Tablets können entsprechende Apps installiert werden. Damit sind diese Geräte dann als "drahtlose Bildschirme" nutzbar. Da für diese Anwendung keine besonders hohen Anforderungen hinsichtlich der Speicherkapazität oder der CPU-Leistung bestehen, sind auch ältere "Androiden" verwendbar. Vielleicht findet auf diese Weise so manches ältere Tablet oder Handy wieder eine sinnvolle Anwendung.

Die Remote Desktop App von Microsoft kann problemlos über den Play Store installiert werden. Nach dem Start der App kann dann z. B. der Raspberry über das "+"-Zeichen in der App aufgerufen werden. Die folgende Abbildung zeigt, wie ein älteres Tablet so als kompakter und drahtloser Bildschirm für den Pi genutzt werden kann.

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Raspberry Pi 4 und Pico

Stichwortverzeichnis

Raspberry Pi 4 und Pico

Pfiffige Projekte zum Messen, Steuern und Regeln

Der Raspberry Pi dominiert seit vielen Jahren die Maker-Szene. Frei verfügbare I/O-Pins machten ihn zu einem der beliebtesten ProzessorBoards aller Zeiten. Allerdings verfügt der klassische Raspberry Pi über keinerlei Analogeingänge. Eine direkte Messung analoger Werte ist damit nicht möglich. So können weder Photodioden noch NTCs oder Hallsensoren etc. unmittelbar ausgelesen werden. Zudem sind die Pins direkt, d. h. ohne Treiber oder Schutzschaltung, mit den freiliegenden Kontakten verbunden. Dadurch kann der zentrale Controller und damit der gesamte Raspberry Pi schnell zerstört werden.

Mit dem Pico können diese Probleme elegant gelöst werden. Er kann als sogenanntes „Frontend“ problemlos vielfältige Messaufgaben übernehmen. Zudem ist der Pico deutlich preisgünstiger als ein klassischer Raspberry Pi 4. Falls eine Fehlbeschaltung zur Zerstörung des Pico führt, ist dies vor allem für nicht-professionelle Anwender relativ leicht zu verkraften. Der klassische Raspberry Pi und der Pico werden so zum idealen Duo.

Das Buch führt entsprechend in das weite und hochaktuelle Gebiet der modernen Controllertechnik anhand der beiden Boards „Raspberry Pi 4“ und „Raspberry Pi Pico“ ein. Neben einer tiefergehenden Einführung in die Arbeits- und Funktionsweise der Controllerboards selbst wird insbesondere auch auf die Messwerterfassung und -verarbeitung mit digitalen Prozessoren eingegangen. Insbesondere die Kombination beider Systeme bietet vielfältige und hochinteressante Möglichkeiten.

Praktische Projekte aus dem Inhalt:

> USB-Verbindung zwischen Raspberry Pi 4 und Pico

> I2C-Kommunikation und Pico als I2C-Device

> Voltmeter und Computerthermometer

> Pico W als Web-Server und WLAN-Scanner

> Frequenzmesser und -generatoren

> OLED-Displays an Pico und Raspberry Pi 4

> Energiesparmonitor

> Welche Astronauten sind im Orbit?

> Mini-Monitor für den aktuellen Bitcoin-Kurs

Günter Spanner

Der Autor des vorliegenden Buches ist seit nahezu 30 Jahren im Bereich Elektronikentwicklung und Technologiemanagement für verschiedene Großkonzerne aktiv.

Neben seiner Tätigkeit als Dozent hat er sehr erfolgreich Fachartikel und Bücher zu den Themen Bioelektronik, Mikrocontroller und Sensortechnik veröffentlicht sowie Kurse, Lernpakete und Maker-Kits dazu erstellt.

Darüber hinaus ist er durch vielbeachtete Fachvorträge und Webinare einem breiten Publikum bekannt.

Elektor Verlag GmbH

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