Le GPIO (General Purpose Input Output)9.1 Qu’est-ce que le GPIO?


 

Le sigle GPIO signifie General Purpose Input Output (littéralement : Entrée-sortie à usage général). 

Il s’agit d’une série de 40 broches (en anglais : pins) qui permettent de contrôler différents composants électroniques.

GPIO sur Raspberry Pi 4

Un circuit électronique pourra être réalisé en branchant des composants électroniques sur des broches ciblées du GPIO. Les branchements seront réalisés à l’aide de fils spécialisés appelés câbles DuPont.

Notez que pour modèles qui ont précédé le Raspberry Pi 1B+ (2014), le GPIO n’avait que 26 broches. Et pour le Raspberry Pi Zero, il y a 40 trous auxquels les broches peuvent être soudées.

Certaines broches jouent un rôle particulier. Il faut se référer au schéma officiel du GPIO1 pour connaître leur rôle.

L’application Web Raspberry Pi Pinout (https://pinout.xyz/) est également très aidante.

Attention : il existe deux systèmes de numérotation : physique et broadcom (Broadcom SOC channel : BCM).

Dans le schéma qui suit, les numéros 1 à 40 réfèrent à la numérotation physique. Vous remarquerez que certaines broches, par exemple la 11, sont libellées GPIO 17. Dans ce cas, 17 correspond à la numérotation broadcom.

La numérotation physique permet de retrouver la bonne broche sur le Pi. La numérotation broadcom sera souvent utilisée en programmation.

Schéma officicel GPIO Raspberry Pi 4

Source de l’image : https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/

Les broches qui permettent de fournir une source électrique (power) à un composant travaillent avec une tension de 5V ou de 3.3V.

Les autres broches travaillent avec une tension de 3.3V. Attention : si vous leur envoyez 5V, vous allez briser le GPIO et peut-être même le Pi au complet. Ouch $$__$$

Lorsqu’une broche reçoit une tension suffisamment haute (ex : 3.3V), son état est à 1 (ON). Sinon, elle est à 0 (OFF).

L’état d’une broche peut être contrôlé par programmation avec des langages comme le Python, le JavaScript et bien d’autres.

Le branchement d’un composant électronique sur une planche de maquettage puis au GPIO est expliqué dans la fiche « Brancher une DEL au Raspberry Pi ».

Source

1. « GPIO ». Raspberry Pi. https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/

Pour plus d’information

« General Purpose Input/Output ». Wikipédia. https://fr.wikipedia.org/wiki/General_Purpose_Input/Output

« GPIO ». Raspberry Pi. https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/

« Raspberry Pi GPIO Pinout: What Each Pin Does on Pi 4, Earlier Models ». Tom’s hardware. https://www.tomshardware.com/reviews/raspberry-pi-gpio-pinout,6122.html

« Allumer et éteindre une LED avec la Raspberry Pi et Python ». Raspberry Pi FR. https://raspberry-pi.fr/led-raspberry-pi/

« Raspberry Pi Pinout ». Raspberry Pi Pinout. https://pinout.xyz/

Veuillez noter que le contenu de cette fiche vous est partagé à titre gracieux, au meilleur de mes connaissances et sans aucune garantie.
 
 
Dernière révision le 6 septembre 2022

Brancher une DEL au Raspberry Pi


 

Si vous branchez une petite diode électroluminescente (DEL, en anglais light-emitting diode ou LED) au GPIO à votre Raspberry Pi, votre système domotique pourrait par exemple allumer la DEL quand quelqu’un entre dans la pièce.

Il existe des DEL sophistiquéees montées sur une carte que l’on branche directement dans le GPIO, par exemple le Pi Traffic Light for The Raspberry Pi.

LED

Source de l’image : https://www.amazon.ca/dp/B00P8VFA42/ref=as_li_qf_asin_il_tl

Ce type de montage est plutôt dispendieux (environ 50$). Mais nul besoin de dépenser une telle somme pour y arriver. Une simple DEL à deux pattes fera l’affaire. Vous en trouverez en vente pour environ 10$ le paquet de 100.

DEL claire

Une résistance est-elle nécessaire? OUI!

Généralement, les tensions maximales supportées parr les DEL (forward voltage) sont de1 :

  • DEL blanche : 3.3V
  • DEL bleue  : 3.3V
  • DEL verte : 2.2V
  • DEL jaune : 2.1V
  • DEL rouge : 2.0V

Même si la DEL supporte la tension fournie par le Pi sur la broche de 3.3V, il faut utiliser une résistance pour protéger la DEL et le Raspberry Pi. En effet, une fois la DEL allumée, elle risque de consommer trop de courant (le I dans V=RI) et de finir par faire griller soit la DEL, soit le Pi. Ouch!

Pour connaître la valeur requise pour la résistance, consultez la fiche technique de la DEL afin de connaître la tension maximale qu’elle peut accepter.

À titre d’exemple, voici un extrait d’une fiche technique pour une DEL blanche.

Remarquez que la tension maximale de la DEL est ici de 3.6V, soit un peu plus que la tension maximale habituelle pour une DEL blanche. Si vous n’avez pas accès à la fiche technique de votre DEL, vous pouvez utiliser les valeurs habituelles.

Fiche technique DEL Blanche

Source de l’extrait de fiche technique : http://www1.futureelectronics.com/doc/EVERLIGHT%C2%A0/334-15__T1C1-4WYA.pdf

La colonne condition est importante : c’est elle qui dit quelle quantité de courant la DEL peut supporter, ici 20mA. Il s’agit de la valeur habituelle pour une DEL de cette taille.

Cette valeur doit être utilisée dans les calculs de la résistance requise. Dans les faits, on pourrait utiliser une valeur inférieure qui ferait en sorte que la DEL éclaire moins. Une DEL allumée nécessite au moins 1mA pour être visible.

L’important, c’est de ne pas dépasser la valeur maximale.

Vous pouvez utiliser un petit outil en ligne pour calculer la valeur de la résistance à utiliser.

En voici quelques-uns :

Il faut utiliser une résistance égale ou plus grande que la valeur donnée dans le calcul. Mais si la valeur est trop élevée, il risque de ne pas y avoir assez de courant pour allumer la DEL.

Lire la valeur d’une résistance

Maintenant, quand on a une résistance en main, et qu’elle est détachée du petit papier qui donnait sa valeur, comment peut-on trouver cette information?

Il est possible de déterminer la valeur d’une résistance à partir de ses bandes de couleur. Un exemple vous est donné ici : https://www.positron-libre.com/cours/electronique/resistances/code-couleurs-resistances.php.

La valeur de la résistance  peut également être lue avec un multimètre.

Valeur de résistance sure, sans calculs

Sur plusieurs sites, vous verrez qu’on utilise une résistance de 330 Ohms.

Pourtant, si on fait le calcul avec :

  • une source de tension de 3.3V
  • une tension maximale de 2V (DEL rouge)
  • un courant de 20mA (c’est la valeur maximale supportée)

on obtient plutôt une résistance de 65 Ohms.

Alors, pourquoi 330 Ohms? C’est simplement une valeur de résistance suffisante pour :

  • une source de tension de 5V (sur le Raspberry Pi, seules les broches non programmables 2 et 4 peuvent fournir cette tension)
  • une tension maximale de 2V (DEL rouge)
  • un courant de 10mA (la DEL sera moins lumineuse)

En fait, ce calcul donnerait 300 Ohms mais cette valeur est moins courante dans les kits électroniques de démarrage alors on utilise la prochaine valeur disponible : 330 Ohms.

Dans le cas où on travaille avec une source de tension de 3.3V, on pourrait faire le calcul suivant :

  • une source de tension de 3.3V
  • une tension maximale de 2V (DEL rouge)
  • un courant de 10mA 

on obtient une résistance de 130 Ohms. Ici encore, dans les kits électroniques de démarrage, la prochaine valeur courante disponible est de 330 Ohms.

Pour obtenir une DEL plus lumineuse, il suffit de diminuer la valeur de la résistance jusqu’à concurrence de la valeur exacte calculée avec un courant de 20mA.

Travail avec une planche de maquettage

Une planche de maquettage (aussi appelée platine d’essaiplatine de prototypage ou, en anglais, breadboard) et un petite plaque de plastique munie de trous dans lesquels il est possible de brancher des composants électroniques sans nécessiter de soudure. Les trous de chaque rangée sont reliés entre eux, ce qui permet de former un circuit électronique.

Saviez-vous que le terme breadboard vient effectivement d’une planche pour découper du pain? C’est que dans les premiers temps où l’électronique s’est développée, des gens utilisaient une vraie planche à pain sur laquelle ils vissaient les composants électronique de leur montage2!

Vous pouvez faire le montage de la DEL et de la résistance sur une planche de maquettage branchée au GPIO à l’aide de fils appelés câbles DuPont. On utilisera ici des câbles mâle-femelle avec l’extrémité mâle branchée à la planche de maquettage et l’extrémité femelle branchée au GPIO.

Dans un montage plus complexe, d’autres câbles, cette fois avec des extrémités mâle-mâle, pouraient être utilisés pour relier des composants électroniques entre eux sur la planche de maquettage.

Remarquez que dans un petit circuit qui implique seulement une DEL et une résistance, la résistance peut être placée de n’importe quel côté de la DEL.

Montage de la DEL et de la résistance sur un breadboard

Source de l’image : https://magpi.raspberrypi.org/articles/get-started-with-electronics-and-raspberry-pi

Branchement sans planche de maquettage

Si vous préférez, il est même possible de brancher la DEL et sa résistance directement au GPIO. Pour effectuer ce branchement, les câbles DuPont auront des extrémités femelle-femelle.

Un peu de soudure sera nécessaire entre la DEL et la résistance.

DEL branchée directement sur le GPIO

Source de l’image : https://projects.raspberrypi.org/en/projects/physical-computing-with-scratch/3

Précautions lors du montage

Il est important de couper le courant du Raspberry Pi avant d’effectuer les branchements. Sinon, vous risquez d’endommager le composant électronique, le GPIO ou même le Raspberry Pi.

Fil de mise à terrre

La couleur des fils utilisés pour brancher les composants sur la planche de maquettage n’a pas d’importance.

Cependant, par convention, on utilisera un fil noir pour brancher à la mise à terre (ground ou GND).

Sur la planche de maquettage, le fil de mise à terre sera généralement – mais pas obligatoirement – branché dans le rail d’alimentation négatif.

Les rails d’alimentation sont les deux premières et les deux dernières rangées de trous sur le côté long de la planche de maquettage. Le rail négatif est généralement marqué d’une ligne bleue ou noire.

Planche de maquettage

Sur certaines planches, le sens des raccordements internes est visible lorsqu’on retire la feuille de protection arrière.

Dos d'une planche de maquettage

Patte longue et patte courte

Lors du branchement de la DEL, assurez-vous que la longue patte soit branchée du côté de la source de tension (power). La patte la plus courte sera branchée du côté de la mise à terre.

Si vous avez de la difficulté à déterminer quelle est la patte la plus longue (c’est parfois le cas après qu’une soudure ait été faite), regardez à l’intérieur du bulbe. La patte longue (à gauche sur les images) a généralement moins de matériel que la courte.

Donc, le côté avec moins de matériel dans le bulbe (la patte la plus longue) doit être branché du côté de la source de tension.

Anode et cathode d'une DEL blanche Anode et cathode d'une DEL bleue

Photo du montage

Broche 3.3V vs broche programmable

Avec un branchement directement sur la broche no 1 (3V3 power), la DEL s’allumera dès que le Raspberry Pi sera sous tension.

Si vous préférez allumer la DEL par programmation, il faudra brancher sa longue patte sur une autre broche du GPIO, par exemple la broche 17. Il faudra alors écrire un petit programme qui enverra ou non un signal à cette broche, par exemple en utilisant la bibliothèque RPi.GPIO.

Branchement de la DEL sur la broche 17

Source de l’image : https://www.futurelearn.com/courses/physical-computing-raspberry-pi-python/0/steps/76169

Sources

1. « How much voltage does a green LED need to be supplied? Will it handle 5V? ».

StackExchange. https://electronics.stackexchange.com/questions/297356/how-much-voltage-does-a-green-led-need-to-be-supplied-will-it-handle-5v

2. « Use a Real Bread-Board for Prototyping Your Circuit ». Instructables Circuits. https://www.instructables.com/Use-a-real-Bread-Board-for-prototyping-your-circui/

Pour plus d’information

« Get started with electronics and Raspberry Pi ». The MagPi Magazine. https://magpi.raspberrypi.org/articles/get-started-with-electronics-and-raspberry-pi

« Breadboard tutorial: learn electronics with Raspberry Pi ». The MagPi Magazine. https://magpi.raspberrypi.org/articles/breadboard-tutorial

« LED ». Framboise 314. https://www.framboise314.fr/scratch-raspberry-pi-composants/led/

« Basics: Picking Resistors for LEDs ». Evil Mad Scientist. https://www.evilmadscientist.com/2012/resistors-for-leds/

« Connaitre les résistances Arduino ». Electronique Kit. https://www.electronique-kit.com/les-r%C3%A9sistances-arduino

Veuillez noter que le contenu de cette fiche vous est partagé à titre gracieux, au meilleur de mes connaissances et sans aucune garantie.
 
 
Dernière révision le 22 novembre 2022

Scripts Python pour interagir avec le GPIO10.1 Langages et bibliothèques pour communiquer avec le GPIO


 

Il est possible de communiquer avec le GPIO à l’aide de différents langages de programmation, par exemple en C, Python ou même PHP.

Plusieurs bibliothèques permettent d’y arriver. En voici quelques-unes :

La bibliothèque RPi.GPIO sera utilisée dans les fiches qui suivent pour démontrer comment programmer un script qui interagit avec le GPIO du Raspberry Pi.

La base des scripts avec RPi.GPIO


 

Le script Python qui sera en charge d’envoyer ou de recevoir un signal des broches GPIO du Raspberry Pi peut être écrit :

  • directement sur le Pi à l’aide d’un éditeur comme nano.
  • sur l’ordinateur à l’aide de l’éditeur de votre choix, par exemple Geany ou PyCharm. 

La bibliothèque RPi.GPIO sera utilisée dans cette démonstration. Elle est installée par défaut sur Raspberry Pi OS.

Notez que si vous utilisez un éditeur comme PyCharm sur votre ordinateur, il vous donnera des erreurs si votre code utilise des bibliothèques qui sont sur le Pi mais pas sur votre ordinateur. Vous pourrez ignorer ces erreurs.

Le script doit être placé directement sur le Raspberry Pi pour être exécuté. Si vous l’avez écrit sur votre ordinateur, vous devrez le copier sur le Pi Conseil après l’avoir édité.

Nom du fichier

Par convention, les scripts Python seront inscrits dans un fichier texte dont le nom se termine par .py.

Le nom du fichier peut :

  • être tout en minuscules (ex : monscript.py)
  • ou
  • utiliser la casse serpent (ex : mon_script.py)

Entête du script Python

Lançons-nous dans la programmation!

Tout programme Python doit débuter par une ligne, qu’on appellera shebang ou hash bang.

Le shebang permet de spécifier quel interpréteur doit être utilisé.

Python

#!/usr/bin python3

Vient ensuite une ligne qui indique l’encodage du fichier. Cette ligne était nécessaire en Python 2 mais elle est optionnelle en Python 3 puisque l’encodage par défaut est UTF-8.

Python

# -*- coding:utf-8 -*-

Tout programme qui se respecte doit contenir un en-tête standard. Cet en-tête indique notamment le but du script, les paramètres attendus, le montage physique requis, la date de création et l’auteur.

En Python, les commentaires de documentation utilisent la syntaxe DocString et sont placés entre triples guillemets.

Python

«  » »
Fait clignoter une LED rouge sur le Raspberry Pi
Paramètres : aucun
Montage : LED rouge branchée sur GPIO.BCM 23 et résistance de 330 Ohms
Auteur : Christiane Lagacé
Date : 8 novembre 2021
«  » »

Vient ensuite le chargement des bibliothèques, ici RPi.GPIO.

Python

import RPi.GPIO as GPIO

Choisir le type d’adressage

Les broches du GPIO peuvent être référées par leur adresse physique (position de la broche sur le Pi, numérotée de 1 à 40) ou par leur adresse broadcom (numéros de ports).

L’adresse BCM est généralement utilisée. Il faut l’indiquer au script comme suit :

Python

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

Variables pour les numéros de ports

Le script sera plus facile à lire si vous utilisez des variables pour reternir les numéros des ports que vous utilisez.

Python

led = 23

bouton = 25

Déterminer le sens du signal 

Pour chaque port que vous souhaitez utiliser dans le script, il faut indiquer si le signal sera en entrée ou en sortie.

GPIO.OUT : le Pi peut envoyer un signal au port

Par exemple, pour que le Pi envoie un signal au port 23 afin d’allumer une LED :

Python

GPIO.setup(led, GPIO.OUT)

Il est possible de changer l’état (d’envoyer un signal) dans une instruction indépendante (voir plus bas) ou encore de le faire dans la même instruction :

Python

GPIO.setup(led, GPIO.OUT, initial=1)

GPIO.IN : le Pi peut recevoir un signal du port

Si le programme devait lire la valeur envoyée par un composant branché sur le port 12, par exemple un bouton poussoir :

Python

GPIO.setup(bouton, GPIO.IN)

L’état initial d’un composant peut être « flottant », c’est-à-dire qu’on ne sait pas quel voltage il donne au départ. Ceci n’est pas souhaitable.

Pour régler ce problème, il est possible d’ajouter, par exemple, des résistances pour forcer un état initial à zéro.

Il est également possible de forcer l’état initial du composant à zéro de façon logique, sans nécessiter l’ajout de résistances puisque le Pi a déjà tout ce qu’il faut à l’interne. 

Python

GPIO.setup(bouton, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

Envoi d’un signal

Pour les ports qui reçoivent un signal du Pi (GPIO.OUT), le Pi peut envoyer un signal à l’aide de trois systèmes qui sont équivalents :

  • GPIO.HIGH, GPIO.LOW
  • True, False
  • 1, 0

Pour allumer la LED, on envoie un signal positif :

Python

GPIO.output(led, 1)

Pour l’éteindre, on envoie un signal non positif :

Python

GPIO.output(led, 0)

Pour savoir par programmation dans quel état est le port :

Python

etat = GPIO.input(led)

Réception d’un signal

Pour les ports qui envoient un signal au pi (GPIO.IN), le Pi peut lire la valeur envoyée :

Python

valeur = GPIO.input(bouton)

Événements

Pour détecter quand un port reçoit un signal, par exemple quand un bouton est pressé, deux choix s’offrent à nous :

  • lire continuellement l’état dans une boucle
  • travailler avec les événements

L’événement sera rattaché à une fonction de rappel qui doit être définie dans le haut du programme.

La définition de la fonction commence par le mot-clé def et tout le corps de la fonction doit être décalé de 4 espaces.

Python

def bouton_presse(channel):
    print(« Le bouton est enfoncé! »)

Pour associer l’événement à la fonction de rappel :

Python

GPIO.add_event_detect(bouton,GPIO.RISING,callback=bouton_presse)

ou

Python

GPIO.add_event_detect(bouton, GPIO.RISING)
GPIO.add_event_callback(bouton, bouton_presse)

Réinitialisation des ports

En terminant, il est conseillé de réinitialiser les ports qui ont été utilisés dans le script. Ceci permet de les protéger d’un bris dû à un court-circuit.

Attention : si un script a pour but d’allumer une lumière et de la laisser allumée, il ne faut pas qu’il réinitialise les ports.

Dans tous les autres cas, il faut le faire.

En effet, un port qui demeurerait assigné en INPUT après l’exécution d’un script et que l’on souhaite assigner en OUTPUT dans un autre script pourrait griller quand on fera les branchements.

C’est pour cela qu’on fera la réinitialisation à la fin du programme.

Ceci fera en sorte, entre autres, que les LED allumées seront éteintes lorsque le programme se terminera.

Python

GPIO.cleanup()

Un programme qui se termine normalement passera toujours par cette ligne.

Pour assurer que la réinitialisation ait lieu même si le programme plante ou s’il se termine quand l’usager appuie sur les touches Ctrl+C, on placera le code dans un try et on fera la réinitialisation dans le finally.

Python

try:
    …
except:
    …
finally:
    GPIO.cleanup()

Note : le finally ne sera pas exécuté si l’usager termine le programme avec les touches Ctrl+Z. En effet, alors que Ctrl+C émet un signal SIGINT – qui arrête gentiment le programme, Ctrl+Z émet un signal SIGTSTP qui arrête immédiatement le programme.

Exemple complet : faire clignoter une LED

Pour faire un tout cohérent, voici un petit script qui fait clignoter une LED jusqu’à ce que quelqu’un appuie sur Ctrl+C.

Python

#!/usr/bin python3
# -*- coding:utf-8 -*-

«  » »
Fait clignoter une LED rouge sur le Raspberry Pi
Paramètres : aucun
Montage : LED rouge branchée sur GPIO.BCM 23 et résistance de 330 Ohms
Auteur : Christiane Lagacé
Date : 8 novembre 2021
«  » »

import RPi.GPIO as GPIO    # il faudra mettre GPIO. devant le nom des classes du paquet
from time import sleep     # les classes du paquets peuvent être utilisées directement sans le nom du paquet

GPIO.setmode(GPIO.BCM)    # type d’adressage broadcom (numéros de ports)
led = 23                   # adresse broadcom du branchement de la LED
GPIO.setup(led, GPIO.OUT)  # sens du signal : le Pi peut envoyer un signal à sa broche (ici, au port 23)

print(‘Programme qui fait clignoter une LED’)
print(‘Appuyez sur Ctrl+C pour terminer.’)

try:
    while True:
        GPIO.output(led, 1)     # envoie 3.3V au port
        sleep(1)
        GPIO.output(led, 0)     # n’envoie rien au port
        sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    print(‘Fin du programme, vous avez appuyé sur Ctrl+C.’)
except Exception as e:
    print(‘Une exception est survenue.’ + str(e))
finally:
    GPIO.cleanup()     # réinitialise les ports
    print(‘Nettoyage final réalisé avec succès!’)

Lancer le script

Pour exécuter le script, entrez la commande python3 suivie du nom du fichier.

Terminal

python3 monscript.py

Pour plus d’information

« RasPi.TV – RPi.GPIO Quick Reference ». RasPi.TV. https://raspi.tv/download/RPi.GPIO-Cheat-Sheet.pdf

« RPi.GPIO basics 3 – How to Exit GPIO programs cleanly, avoid warnings and protect your Pi ». RasPi.TV. https://raspi.tv/2013/rpi-gpio-basics-3-how-to-exit-gpio-programs-cleanly-avoid-warnings-and-protect-your-pi

« RPi.GPIO basics 6 – Using inputs and outputs together with RPi.GPIO – pull-ups and pull-downs ». RasPi.TV. https://raspi.tv/2013/rpi-gpio-basics-6-using-inputs-and-outputs-together-with-rpi-gpio-pull-ups-and-pull-downs

Veuillez noter que le contenu de cette fiche vous est partagé à titre gracieux, au meilleur de mes connaissances et sans aucune garantie.
 
 
Dernière révision le 19 septembre 2022

Bienvenue !

Si vous aimez la programmation Web, particulièrement avec PHP, MySQL, WordPress ou Laravel, j’espère que vous trouverez ici des informations utiles pour votre programmation !

En bonus, vous trouverez dans la section Divers quelques articles sur la retouche de photos et sur l’utilisation générale d’un ordinateur Mac ou Windows.

Bonne lecture !

Christiane

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