第22回 Raspberry PiのGPIO概要

今回はRaspberry PiのGPIOピンの概要を確認します。

今回の説明内容

今回はRaspberry PiのGPIOピンの概要を確認します。GPIOのピン番号や電気的仕様を確認したあと、GPIOピンにLEDを接続する回路とスイッチを接続する回路を検討します。

今回の説明内容は以下になります。

• GPIOピン番号
• GPIOピンの電気的仕様
• GPIOピンのLEDを接続する回路
• GPIOピンにスイッチを接続する回路
• プルアップ抵抗・プルダウン抵抗の注意点
• 補足 – Raspberry Pi内部のプルアップ・プルダウン抵抗

GPIOピンの番号

Raspberry Piにはプログラムで制御できるGPIOピンは26本あります。プログラムで制御する際、どのGPIOピンを制御するのかを「番号」で指定します。例えば「何番のピンの出力電圧を3.3Vにする」「何番のピンの電圧の状態を読み取る」などです。

この「番号」ですが、Raspberry Piの場合、指定方法が2種類あります。その2種類とは「ピン番号による指定」と「GPIO番号による指定」です。っていっても何のことやら、という感じですよね。Raspberry PiのGPIOを使う際に大前提となる部分ですので、詳しく説明します。

まず一つ目の制御方法は「ピン番号による指定」です。第17回の記事で説明しましたが、Raspberry PiのGPIOピンは以下のように番号が割振りられていることを確認しました。

このピン番号を使って、「何番のピンの出力電圧を3.3Vにする」などと指定する方法が「ピン番号による指定」です。

この指定方法だけで十分な気がしますが、Raspberry Piにはもう一つGPIOピンを指定する方法があります。それは「GPIO番号」による指定です。このGPIO番号について詳しく説明します。

Rasbperry Piの処理の中心となるプロセッサはブロードコム社の「BCM2837」(あるいはBCM2836)というものが使用されています。このプロセッサには非常に多くのピンがあり、その中にGPIOピンもあります。

実は、このプロセッサ自体のGPIOピンは53本もあるんです。この53本のGPIOピンのうち、2番から27番の26本がRaspberry PiのGPIOコネクタに接続されています。例えばBCM2837にはGPIO2というピンがあり、これが拡張コネクタの3番ピンに接続されています。

GPIOピンを指定する一つ目の方法は、Raspberry Piのピン番号を指定する方法でした。もう一つの方法とはこのプロセッサのGPIO番号を指定する方法なんです。

上の例では、Raspberry PiのGPIOピン番号指定は「3番」になりますが、プロセッサのGPIO番号指定は「2番」になります。

何だかややこしくなってきましたね。どちらかに統一して欲しい気もしますが、それぞれ特徴があります。

Raspberry PiのGPIOコネクタのピン番号指定の場合は、物理的な位置がわかりやすい特徴があります。一方、GPIO番号指定の場合は、番号が2番〜27番の連番になっています。GPIO番号は連番になっているので、プログラムを作る際はこちらの方が便利かもしれません。

ちょっと先の話になってしまいますが、このシリーズ記事の後半ではPythonでGPIOピンを制御します。その際、ライブラリを利用するのですが、プログラムの最初で「ピン番号」で指定するのか、「GPIO番号」で指定するのかの設定をします。

例えば、Pythonプログラム上では、ピン番号の場合は 「BOARD」、GPIO番号の場合は 「BCM」と指定します。この「BCM」は先ほど説明したプロセッサ名に由来しています。「BOARD」というのはRaspberry Piの基板(本体)のことで、GPIOコネクタを意味しています。

ピン番号で指定する場合は物理的な位置で確認できますが、GPIO番号はどうなっているか外見ではわかりませんよね。以下の表はどのピンがどのGPIO番号かまとめたものです。

GPIOの番号自体は連番になっているものの、配置は結構バラバラですよね。ちゃんと並べてくれればいいのに、という気もしますが、これは仕方ない面もあります。

拡張コネクタのGPIOピンは、プロセッサのGPIOピンから配線して接続する必要があります。

一方でプロセッサ(BCM2837)は非常に多くのピンがあり、他の配線も多くありますので、拡張コネクタ上に連番で並べようとすると配線が交差してしまいうまく配線できなくなってしまいます。

交差を少なくする方法もありますが、そうすると製造コストが高くなってしまいます。ということで、このような配列で決着したのだと思います。

なお、GPIOピンの中でもGPIO2とGPIO3は他のピンと電気的特性が異なるので注意が必要です。

具体的には、回路内部で抵抗が接続されていますので、これらのピンを使用する場合、電子回路上問題ないか確認する必要があります。この注意点については、この記事の後半のスイッチを接続するセクションで詳しく説明します。

また、(GPIO番号ではなく)ピン番号の27番と28番の「ID_SD」と「ID_SC」は外部にEEPROMというデータを保存するための部品を接続するピンですが、あまり使用しないと思います。

GPIOピンで出力電圧を制御したり、電圧値を読み取ったりできますが、出力電圧を制御するのか、あるいは電圧値を読み取るのかは、プログラムで各GPIOピンの役割を設定します。

Raspberry Piでは、このような出力電圧制御や入力電圧の読み取り以外にも、設定を変えると外部とデータ通信も可能になります。データ通信を行う場合は、データ通信の方式により使用するピンが決められています。

この入門シリーズの範囲を超えた説明になってしまいますが、例えばSPI通信というデータ通信方式があります。このSPI通信では、GPIO番号のGPIO7〜GPIO11の5ピンがこの通信のために専用に割り当てられます。SPI通信を行う場合は、プログラムでSPI通信を行うように設定することになります。

GPIOピンの電気的仕様

先ほど説明しました通り、GPIOピンはプログラムの設定で、出力電圧制御ができるようにしたり、入力電圧の読み取りができるようにすることができます。

それぞれのケースで、電気的な制限がありますのでまとめておきます。

まず、出力電圧を制御する際の制限です。GPIOを出力電圧制御ができるように設定すると、Raspberry Piの内部の電気的な動作は以下のようになります。

この状態で例えばLEDを光らせる回路を接続すると、以下のように電流が流れます。

GPIOを出力電圧制御にした場合、このように電流が流れますが、この電流には以下のような制限があります。

• GPIOピン1本あたりの最大電流は16mA
• 複数本のGPIOピンを使用する場合、同時に流せる電流の合計は50mAまで

「制限」と書くと、例えばGPIOピンに20mA流れるようなLEDを光らせる回路を接続した場合、GPIOピンから流れる電流は16mAで制限される、という意味に取られるかもしれません。

でも実際には、20mA流れるような回路を接続すると20mA流れてしまいます。上の制限とは「この値を超えないように電子回路を設計してください」いう意味になります。

では、上の制限を超えて使用するとどうなるのでしょうか。これはプロセッサ(BCM2837)のGPIOピンの制限ですので、いずれプロセッサが壊れてしまいます。

また、複数本のGPIOピンを使用する場合は、1本のGPIOピンに流す電流が16mA以内であっても、同時に流れる電流の合計は50mAを超えないようにします。GPIOピンは26本もありますので、26個のLEDを光らせることはできますが、それぞれのLEDに流れる電流が2mAでも合計電流は52mAとなりオーバーしてしまいます。

これが電気的制限の通り一遍の説明ですが、実際にはさらに注意することがあります。

実際の回路を設計する場合は、上の電気的制限ギリギリに設計しないことです。ギリギリで設計すると、例えば部品のばらつきや温度変化で特性が変わってきますので、動作する環境によっては制限をオーバーしてしまいます。ではどのぐらいを目安にすればよいかというと、だいたい制限値の半分〜7割程度が望ましいです。

Raspberry Piでは、GPIO1ピンあたりせいぜい10mA程度、合計の電流は30mA程度を目安にすると安心です。

次に電圧を読み取る場合の制限です。

GPIOピンで電圧を読み取るようにした場合、Raspberry Piの内部は以下のようになります。

この時、GPIOピンに入力する電圧は、0V〜3.3Vの範囲内にする必要があります。3.3V以上の電圧を加えると、先ほどの電流のケースと同様に、プロセッサがダメになってしまう可能性があります。

なお、Raspberry PiのGPIOピンは電圧値そのものを読み取ることはできず、0Vか3.3Vかのどちらかを読み取ることになります(例えば1.5Vの時に、1.5Vとして読むことはできない)。では、中間の値の時はどうなるのかというと、以下のようになります。

GPIOで電圧を読みとる場合、3.3Vを超えないようにすることも重要ですが、0Vから3.3Vのどちらかをきちんと読み取れるようにすることも大切です。

GPIOピンにLEDを接続する回路

GPIOピンにLEDを接続して点滅制御する回路を検討してみます。といっても先ほど例としてあげましたので、以下のように接続すればLEDを点滅制御できますよね。

このような回路にすれば、プログラムのGPIOピンのスイッチをONにすると、GPIOピンの出力電圧は3.3VになってLEDが光ります。当然、スイッチをOFFにすればLEDは光りません。(スイッチは実際にあるのではなく、電気的に制御しているだけです)

もう一つ、以下のように接続する方法もあります。

この場合は、スイッチをOFFにするとLEDが光り、ONにすると光りません。これは前回説明したように抵抗やLEDに電位差があるかないかで考えればわかりますよね。

でも下の方は、スイッチの状態とLEDの光る状態が逆なので分かりづらいですよね。Raspberry PiのGPIOピンの場合は分かりやすい上の方の接続で問題ないですが、他の電子回路の場合は下のケースの方が有利な場合もあります。

上の方は、スイッチをONにするとGPIOピンから電流が抵抗・LEDに流れ出ます。これをソース電流と呼んでいます。(「ソース」は源、出どころ、とかいう意味です)

これに対して、もう一方の接続方法は、スイッチをOFFにすると、抵抗・LEDを通してGPIOピンに電流が流れ込みます。これをシンク電流と呼んでいます。(「シンク」は沈み込むなどの意味です)

Raspberry PiのGPIOピンの場合、ソース電流とシンク電流の制限は16mAで同じ仕様になっています。でもこの電流はいつも同じとは限らず、他の電子部品(マイコンなど)では、製品によっては、電流制限はソース電流よりシンク電流の方が大きい場合があります。そのような場合、より大きな電流を流すためにシンク電流でLEDを光らせるケースもあります。

GPIOピンにスイッチを接続する回路

GPIOピンを、電圧の状態を読み取るように設定した場合、0Vか3.3Vか(実際のプログラムでは0か1か)を知ることができます。この仕組みを使って、スイッチの状態を読み取ることができます。

スイッチを使ってGPIOピンを0Vか3.3Vにするのは簡単そうですよね。例えばこんな感じです。

このようにすれば、スイッチがONの時、GPIOピンは3.3Vになり、プログラムでこの値を読むと3.3Vが読み取れます(実際は数値として1が読み取れる)。でもこのスイッチの回路は問題があります。スイッチをOFFにすると、GPIOピンはどこにも繋がれていないので、電位が不安定になります。

スイッチがOFFの場合、GPIOピンが0Vになればいいんですよね。ってことで、スイッチがOFFの時に0Vになるように以下のように回路を追加してみました。

でもこのようにするとスイッチを入れた時に問題が発生します。スイッチをONにすると、、、

電源のプラス側とマイナス側が直接接続される、つまりショートしてしまいます。この問題を避けるためには以下のように抵抗を接続します。

このようにすると、スイッチがOFFの場合はGPIOピンの電圧は0Vになります。ちょっとわかりづらいようでしたら、前回の記事の電位を求めるクイズのM点のところを見てみてださい。同じ回路になっています。

スイッチ回路はスイッチ開放時に電圧が不安定にならないように、このように抵抗を接続します。この抵抗のことを「プルダウン抵抗」と呼んでいます。0Vの方に引っ張って(プルして)、0Vに落とす(ダウン)という意味です。プルダウン抵抗、ということはプルアップ抵抗とかいうのもあるんでしょうか。実はあります。以下の回路がプルアップ抵抗をつけたスイッチ回路です。

この回路の場合、スイッチがONの時、GPIOピンは0V、OFFの時3.3Vになります。ONの時は0Vにつながっていますのでわかると思いますが、スイッチがOFFの時はちょっとわかりづらいかもしれません。まずRaspberry Piに限らず、マイコンなどの入力ピンにはほとんど電流が流れません。

そのため、スイッチをONにした時のGPIOピンの電圧は、前回のK点と同じことになります。

なお、プルダウン・プルアップの抵抗ですが、だいたい1kΩ〜10kΩのものを使用します。この入門シリーズでは1kΩの抵抗を使用します。

ということでスイッチ回路ができました。と言いたいところですが、今回の入門シリーズのスイッチ回路は、安全対策もしておきます。

Raspberry PiのGPIOピンの機能はプログラムで簡単に変更できます。この入門シリーズではスイッチを一つつけますが、もしそのスイッチを接続したGPIOピンを間違って出力電圧制御にしてしまった場合を考えてみます。出力電圧制御の場合、電気的には以下のような回路になります。(出力電圧を0Vにしている場合です)

この時、スイッチをONにすると、、、

ということでショートしてしまいます。プログラムが動かない時に、いろいろ設定を変えて動作確認するケースなどもあります。その時に気づかないで上のような状況になってしまう可能性もあります。そこで、上のような接続になった場合でも電流が流れ過ぎないように1kΩの抵抗をGPIOピンの入力のところに追加します。

このように抵抗を接続しておけば、この回路でスイッチがONになっても、電流はあまり流れません。1kΩの抵抗を使いますので、電流 = 電圧 ÷ 抵抗 = 3.3 ÷ 1k = 3.3mAです。3.3mAであれば間違ってスイッチをずっと押したままでも何も問題はありません。

ところで、この抵抗をつけた場合、スイッチの状態はきちんと読み取れるのでしょうか。

この回路でスイッチをONにした時とOFFにした時は、前回の電圧を考える回路のP点とQ点と同じになります。

これでスイッチ回路もできました。

プルアップ抵抗・プルダウン抵抗の注意点

一番最初のGPIOのピン番号の説明で、GPIO2とGPIO3は内部で抵抗が接続されている、と説明しました。具体的にどうなっているのか確認してみます。

Raspberry Pi電子回路図より引用・加工

ちょっとわかりづらいかもしれませんが、今までの知識があればこの回路図は読めるようになっていると思います。中央にある黒い四角が2列あるところがGPIOピンです。

3番ピンと5版ピンはGPIO2とGPIO3ですが、内部回路を見ると、1.8kΩの抵抗で3.3Vの電源に繋がれています。また、GPIO2とGPIO3は1.8kΩの抵抗が接続されていることがわかります。

この理由ですが、GPIO2とGPIO3はI2Cというデータ通信にも使われるピンで、このデータ通信を行う場合、この2つの信号線は抵抗を接続する必要があります。そのため、もともとRaspberry Piの回路側で抵抗が接続されています。

このGPIO2とGPIO3に先ほどのスイッチ回路を接続した場合を考えてみます。

なんかだんだん回路が複雑になってきましたね。もう一息頑張りましょう!

この回路はスイッチがOFFの状態ですが、入力電圧の値は0Vではありません。この回路を書き換えると、以下のようになります。

詳しい計算は省略しますが、この回路の電圧は、約1.74Vになります。電圧の読み取りは以下のようになっていました。

1.74Vの場合、3.3Vとして読み取られてしまいます。つまり保護抵抗をつけたスイッチの回路はこのままGPIO2とGPIO3には接続できないことになります。

実際にこのような回路を作った場合、スイッチをONにしてもOFFにしても3.3Vとして読み取られてしまいます。GPIO2とGPIO3を使用する場合は内部の抵抗に注意してください。

補足 – Raspberry Pi内部のプルアップ・プルダウン抵抗

今回はプルアップ・プルダウン抵抗を用意しましたが、Raspberry Pi(プロセッサのBCM2836/2837)ではソフトウエアでプルアップ・プルダウン抵抗を設定できます。これはRaspberry Piに限らず、一般的なマイコンなどでも同様の機能を持っています。

内部のプルアップ・プルダウン抵抗を設定すればスイッチを直接GPIOピンに接続しても問題ありませんので、部品点数を減らすことができます。ただ、その場合でも先ほどのようにGPIOの設定を出力電圧制御にした場合、ショートが発生するリスクがあります。

内部のプルアップ・プルダウン抵抗は、電子回路設計に慣れてきてからトライしてみてください。

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