Raspberry Pi für Einsteiger
Von Matt Richardson und Shawn Wallace
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Über dieses E-Book
Matt Richardson
Matt Richardson was born in Richmond Hill, Ontario, in 1966. His earlier works include a comprehensive field guide on primates and a biography of the English author/zoologist Gerald Durrell. In addition to a love of history, the arts, and science, Matt has also had a lifelong interest in wildlife conservation, and had travelled extensively throughout the world. He currently resides in Markham, just outside of Toronto.
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Buchvorschau
Raspberry Pi für Einsteiger - Matt Richardson
Kapitel 1. Fahrt aufnehmen
Einige Begriffe tauchen immer wieder auf, wenn sich Leute über den Raspberry Pi unterhalten: klein, günstig, hackbar, für die Ausbildung geeignet. Eines ist er aber nicht: aus dem Stand lauffähig. Es ist nicht besonders schwierig, ihn in einen Fernseher einzustöpseln und etwas angezeigt zu bekommen. Aber der Pi ist kein Consumer-Gerät. Abhängig von Ihren Zielen werden Sie eine Reihe von Entscheidungen zur Peripherie und Software Ihres Raspberry Pi treffen müssen.
Natürlich brauchen Sie als Allererstes den Raspberry Pi selbst. Wahrscheinlich haben Sie jetzt schon einen, aber wenn nicht, hat die Raspberry Pi Foundation Vereinbarungen mit ein paar Herstellern getroffen, bei denen Sie einen Pi direkt zum üblichen Preis im Preissegment von 25 bis 35 Euro kaufen können. Es handelt sich um:
Pi Swag (www.swag.raspberypi.org)
Der Online‐Store der Foundation
Premier Farnell/Element 14 (www.bit.ly/1oTTuVK)
Ein britischer Elektronikhändler mit vielen Vertretungen auf der ganzen Welt (auch in Deutschland)
RS Components (www.rs-components.com/raspberrypi)
Ein weiterer aus Großbritannien stammender Elektronikhändler
Darüber hinaus ist der Raspberry Pi über zahlreiche Elektronik-Versender in Deutschland (z. B. Elektronik-Reichelt, Watterott oder Elektronik Conrad) erhältlich.
Der niedrige Preis des Raspberry Pi ist natürlich ein zentraler Bestandteil der ganzen Geschichte. Es ist ungewöhnlich, dass normale Privatnutzer direkt bei einem Distributor wenige Geräte zu dem gleichen Preis kaufen können wie große Reseller. Einige potenzielle Reseller waren vom Preis in den ersten Ankündigungen verwirrt—sie konnten sich nicht vorstellen, damit noch Gewinn zu machen. Das ist der Grund, warum manche Reseller noch etwas auf die 35 Euro aufschlagen (meist bis 40 Euro). Die Allgemeinheit kann immer noch direkt bei den hier erwähnten Distributoren kaufen, aber die Retailer und Reseller liefern häufig schneller. Sowohl MAKE:'s eigenes Maker Shed (http://www.bit.ly/1sfkHgA ) als auch Adafruit ( http://www.www.bit.ly/1oTTzZF ) sind zwei Firmen, die Raspberry Pis und das Zubehör zu etwas höheren Preisen verkaufen.
Genug Mikroelektronik‐Klatsch—lassen Sie uns das Board des Raspberry Pi endlich genauer anschauen.
Eine Tour über das Board
Es gibt vier verschiedene Versionen des Raspberry-Pi-Boards. Die erste Version ist das Modell B, auf das das einfachere und preiswertere Modell A folgte. 2014 kündigte die Raspberry Pi Foundation eine erhebliche Überarbeitung (und Verbesserung) des Designs des Pi-Boards an: das Modell B+. Dieses Modell B+ wird für die absehbare Zukunft das Standardmodell sein. Die Raspberry Pi Foundation hat außerdem eine Version mit dem Namen Compute Module entwickelt, mit der der Pi in Produkte eingebunden werden kann. In Abbildung 1.1 sehen Sie alle vier Versionen des Boards.
Abbildung 1.1 Die vier Versionen des Raspberry Pi: Modell B+, Modell B, Modell A und Compute Module (im Uhrzeigersinn von oben) — Modell B ist das Standard‐Referenzdesign, Foto von Modell A mit freundlicher Genehmigung von SparkFun. Electronics (CC BY 2.0)
Lassen Sie uns kurz aufzählen, was Sie im Karton mit dem Raspberry Pi finden.
Man macht es sich zu einfach, wenn man den Raspberry Pi als ein Mikrocontroller‐Entwicklungsboard wie den Arduino oder als Laptop‐Ersatz ansieht. Tatsächlich handelt es sich eher um die Innereien eines mobilen Geräts mit vielen Bastler‐freundlichen Anschlussmöglichkeiten für die verschiedenen Ports und Funktionen. In Abbildung 1.2 sehen Sie alle unten beschriebenen Teile des Boards.
Abbildung 1.2 Eine Übersicht über die Hardware‐Schnittstellen des Raspberry Pi
Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung jeder einzelnen Komponente:
Der Prozessor Das Herz des Raspberry Pi enthält den gleichen Prozessortyp wie das iPhone 3G oder der Kindle 2, Sie können den Raspberry Pi leistungstechnisch also durchaus mit diesen Geräten vergleichen. Es handelt sich um ein 32-Bit-System mit 700 MHz, basierend auf der ARM11‐Architektur. ARM-Chips gibt es in verschiedenen Architekturen mit unterschiedlich vielen Cores konfiguriert, um eine Reihe verschiedener Leistungsebenen (und Preisstufen) anzusprechen. Modell B und Modell B+ verfügen über 512 MB RAM, Modell A über 256 MB. (Die erste Charge des Modells B hat auch nur 256 MB RAM.)
Ausgänge für Composite Video und analoge Audio‐Signale Bei Modell B+ stehen Ausgänge für analoge Audio- und Videosignale auf einem standardmäßigen 4‑poligen 3,8 mm-Stecker zur Verfügung. Ein Ende des Verbindungskabels verfügt über einen 4‑poligen Klinkenstecker, das andere über drei RCA‐Stecker für Stereo/Audio (rot und weiß) und Composite Video in NTSC oder PAL (gelb). Die Pi-Modelle A und B besitzen einen RCA‐Stecker für Composite Video und einen separaten 3,5 mm-Klinkenstecker für analoge Audio‐Signale.
Status‐LEDs Über fünf Status‐LEDs erfolgt eine visuelle Rückmeldung (siehe Tabelle 1.1 ). Bei Modell B+ befinden sich die Netzwerk‐LEDs auf dem RJ-Stecker selbst.
Tabelle 1.1 Die fünf Status‐LEDs
Externe USB-Ports Bei Modell B+ gibt es vier USB-2.0-Ports, während Modell B nur zwei und Modell A nur einen besitzt. Einige der frühen Raspberry Pis waren bei der möglichen Stromzufuhr am USB-Port beschränkt. Manche USB-Geräte können bis zu 500 mA ziehen. Das erste Pi-Board hat nur etwa 100 mA bereitgestellt, neuere Versionen erfüllen hier die USB-2.0‑Spezifikation vollständig. Um Ihr Board zu überprüfen, kontrollieren Sie, ob es zwei Polyfuses (selbstrückstellende Sicherungen) besitzt, die den Strom begrenzen. Modell B+ wurde um eine bessere Hot-Plug‐Unterstützung und einen besseren Überstromschutz ergänzt. Verwenden Sie einen externen Hub mit eigener Stromversorgung, wenn Sie ein USB-Gerät mit mehr Strombedarf nutzen wollen.
Ethernet‐Port Die Modelle B+ und B besitzen einen Standard-RJ45‐Ethernetport. Modell A hat den nicht, kann aber über einen USB‐Ethernet‐Adapter mit einem Netzwerk verbunden werden (der Port auf Modell B ist eigentlich auch nicht mehr als ein USB‐Ethernet‐Adapter auf dem Board selbst). Eine andere Möglichkeit ist eine WLAN‐Verbindung über einen USB-Stick.
HDMI‐Anschluss Der HDMI-Port bietet eine digitale Video- und Audio‐Ausgabe. Es werden 14 verschiedene Video‐Auflösungen unterstützt, und das HDMI-Signal kann in DVI (von vielen Monitoren genutzt), Composite (analoges Video‐Signal über den gelben Cinch‐Stecker) oder SCART (ein europäischer Standard für das Verbinden von Audio- und Video-Geräten) umgewandelt werden.
Stromversorgung So ziemlich das Erste, was Ihnen am Pi auffallen wird, ist, dass er keinen Netzschalter besitzt. Diese MicroUSB‐Buchse wird genutzt, um die Platine mit Strom zu versorgen (das ist kein zusätzlicher USB-Port, sondern dient nur der Stromversorgung). MicroUSB wurde gewählt, weil die Buchse günstig ist und USB‐Stromversorgungen leicht erhältlich sind.
Secure Digital (SD) Card Slot Sie werden bemerken, dass auf dem Pi kein Festplattenlaufwerk vorhanden ist. Alle Daten werden auf einer MicroSD‐Karte gespeichert. Ein Grund, weshalb Sie sich früher oder später ein entsprechendes Gehäuse wünschen werden, besteht darin, dass die Lötverbindungen auf dem SD-Socket möglicherweise nicht richtig funktionieren, wenn die SD-Karte versehentlich verbogen wird. Modell B+ verfügt über einen MicroSD‐Slot mit einem schlankeren Profil, was eine starke Verbesserung gegenüber dem Friction-Fit-Slot von Modell B darstellt.
Abbildung 1.3 zeigt alle Input/Output- ( I/O -) und Stromversorgungs‐Pins auf dem Raspberry Pi.
Abbildung 1.3 Die Pins und Steckleisten des Raspberry Pi
Hier eine kurze Beschreibung der dargestellten Pins und Steckleisten:
General Purpose Input and Output (GPIO) und andere Pins In Kapitel 8 und Kapitel 9 erfahren Sie, wie Sie diese Pins nutzen können, um Taster und Schalter auszulesen und Aktuatoren wie LEDs, Relais oder Motoren zu steuern.
Der Camera‐Serial‐Interface-(CSI-)Anschluss Über diesen Port kann man ein Kameramodul direkt mit dem Board verbinden.
Display Serial Interface (DSI)-Anschluss Hier kann man ein 15-adriges Flachbandkabel anschließen, um den Pi mit einem LCD- oder OLED‐Bildschirm zu verbinden.
Abbildung 1.4 Das 5‑Megapixel‐Kameramodul für den Raspberry Pi wird direkt mit dem CSI‐Anschluss verbunden. Das Kameramodul ist mit einem Preis von 25 Euro zwar recht erschwinglich, ist aber unter Umständen wegen des Mangels an Fokussieroptik nicht unbedingt die beste Lösung für Ihr Projekt. In Kapitel 11 werden wir uns dem Thema Kamera und Pi ausführlich widmen.
Das passende Zubehör
Nachdem Sie nun gelernt haben, wo sich was auf dem Board befindet, müssen Sie noch ein paar Dinge über das passende Zubehör wissen, das Sie mit Ihrem Pi nutzen können. Es gibt eine ganze Reihe von Starter Kits, die gut ausgestattet sind. Allerdings gibt es auch ein paar Stolpermöglichkeiten. Auf jeden Fall gibt es eine Liste unterstützter Peripheriegeräte (http://elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals) auf dem Haupt‐Wiki. Die wichtigsten sind aber folgende:
Stromversorgung Dies ist das wichtigste Zubehör für Sie. Sie sollten einen MicroUSB‐Adapter nutzen, der 5 V und mindestens 700 mA liefern kann (für Modell A oder Modell B+ reichen 500 mA). Ein Ladegerät für ein Mobiltelefon reicht hier nicht unbedingt aus, da der typische Vertreter dieser Gattung nur 400 mA oder weniger bietet. Werfen Sie aber im Zweifelsfall einen Blick auf die Angaben des Ladegeräts. Ein Pi, der mit zu wenig Strom versorgt wird, scheint meist noch zu laufen, ist aber instabil und liefert unvorhersehbare Fehler. Eine Ausnahme ist dann gegeben, wenn Sie den Pi headless einsetzen (d. h. ohne Monitor oder Tastatur). Ein solcher headless genutzter Pi wird mit einer 500-mA-Stromversorgung betrieben, als wenn er an einen Laptop angeschlossen wäre. Es stehen außerdem zahlreiche Batteriesatz-Lösungen für den Pi zur Verfügung. Hier gelten jeweils dieselben Regeln.
Eine MicroSD‐Karte Sie brauchen mindestens 4 GB, und es sollte eine Class-4-Karte sein. Class-4‑Karten können mindestens 4 MB/s übertragen. Einige der älteren Raspberry-Pi-Boards hatten Probleme mit Class 6 oder höher, die schneller übertragen können, aber nicht so stabil sind. SDHC-Karten mit höherer Kapazität sind ebenfalls kompatibel. Bei den älteren Modell-B‑Boards können die größeren SD-Karten und außerdem Adapter für MicroSD‐Karten genutzt werden.
Ein HDMI-Kabel Für die Verbindung mit einem Monitor benötigen Sie solch ein Kabel oder einen passenden Adapter für einen DVI‐Monitor. Sie können den Pi auch ohne Display laufen lassen (siehe weiter unten). HDMI-Kabel gibt es in einer sehr großen Preisspanne. Wenn das Kabel zum Monitor nur ein bis zwei Meter lang sein muss, müssen Sie nicht mehr als 5 Euro dafür ausgeben. Bei längeren Kabeln sollten Sie auf jeden Fall ein qualitativ hochwertiges nehmen.
Ethernet‐Kabel Bei Ihnen zu Hause gibt es vermutlich längst nicht mehr so viele Ethernet‐Buchsen wie noch vor fünf Jahren—mittlerweile ist doch vieles schon drahtlos. Daher nervt Sie der kabelgebundene Anschluss vielleicht ein wenig. In Abschnitt „Den Pi headless
betreiben" werden ein paar Alternativen zum direkt mit einem Hub oder einer Netzwerkdose verbundenen Ethernet‐Kabel aufgeführt.
Wollen Sie mit Ihrem Raspberry Pi noch viel mehr machen, gibt es weiteres interessantes Zubehör und Addons, über die wir in Kapitel 6 sprechen. Schauen Sie sich auch ein paar der folgenden Addons an (unter http://elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals erhalten Sie eine Liste der Peripheriegeräte, die bekanntermaßen funktionieren):
Ein USB-Hub mit Stromversorgung
Es wird ein USB-2.0-Hub empfohlen. Bei der aktuellen Version des Pi-Boards kann der Pi über einen USB-HuB mit Strom versorgt werden, der Strom zurück in einen der beiden externen USP-Ports leitet. Es gibt allerdings keine großartige Schutzschaltung, so dass es möglicherweise nicht die beste Idee ist, das Board über externe USB-Ports mit Strom zu versorgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Sie Elektronik‐Prototyping betreiben, bei dem Sie eventuell versehentlich Kursschlüsse produzieren, die sehr viel Strom verbrauchen.
Kühlkörper
Ein Kühlkörper ist ein kleines Stück Metall, oft mit Lamellen, um eine große Oberfläche zu erhalten und die Wärme besser ableiten zu können. Kühlkörper lassen sich an Chips anbringen, die heiß werden. Das Chipset des Pi ist für einen mobilen Einsatz entworfen, daher ist meist kein Kühlkörper nötig. Aber wie wir später noch sehen werden, gibt es Fälle, in denen Sie den Pi mit einer höheren Geschwindigkeit laufen oder über längere Zeit intensiv rechnen lassen wollen. Dann erhitzt sich der Chip etwas. Manche Leute haben berichtet, dass sich auch der Netzwerk‐Chip erwärmen kann.
Echtzeituhr
Eventuell wollen Sie einen Echtzeituhr‐Chip einsetzen (wie den DS1307), um korrekte Zeiten zu protokollieren, wenn der Pi offline ist.
Kameramodul
Für den Raspberry Pi steht als offizielles Peripheriegerät ein 5‑Megapixel‐Kameramodul zu einem Preis von 25 Euro zur Verfügung. Sie können auch eine USB-Webcam benutzen (in Kapitel 11 finden Sie ein vollständiges Beispiel).
LCD‐Display
Viele LCDs lassen sich mit ein paar Verbindungen zur GPIO‐Steckerleiste anschließen. Besorgen Sie sich ein FTF (Thin Film Transistor)-Display, das mittels der SPI (Serial Peripheral Interface)-Pins auf der Steckleiste mit dem Pi verbunden werden kann. LCDs, die die DSI‐Schnittstelle nutzen, werden in der Zukunft verfügbar sein.
WiFi-USB-Stick
Viele WiFi-USB-Sticks vom Typ 802.11 arbeiten mit dem Pi zusammen. WiFi verbraucht sehr viel Strom, so dass Sie sicherstellen müssen, dass Sie auch über eine adäquate Stromversorgung verfügen — eine 2 A–Stromversorgung oder ein USB-Hub mit externer Spannungsversorgung ist eine gute Wahl. Wenn Sie Probleme mit dem WiFi–Adapter haben, liegt es immer an der Stromversorgung.
Soundkarte
Möglicherweise wird die integtrierte Funktionalität für analoge Audio‐Signale für viele Ihrer Projekte ungeeignet sein. Wenn Sie eine hohe Qualität bei der Ausgabe und dem Eingang von Audio‐Signalen beim Pi wünschen, benötigen Sie eine Soundkarte. Auch viele USB‐Soundkarten lassen sich gut mit dem Pi verwenden: Die U‑Control–Geräte von Behringer sind eine gängige und kostengünstige Option.
Laptop‐Dock
Einige Leute haben Laptop‐Docks angepasst, die für Mobiltelefone gedacht sind (z. B. das Atrix Lapdock), um als Anzeige und Halter für den Raspberry Pi zu dienen.
Das Compute Module
Beim Compute Module handelt es sich technisch gesehen nicht um ein Add-On-Board, sondern um ein Redesign des Raspberry Pi. Das Herz, das Gehirn und die Organe des Raspberry Pi wurden als Komponenten rekonfiguriert, die an einen DIMM‐Anschluss angesteckt werden — der Anschluss, der auch für für Speichermodule genutzt wird. Das Modul wurde für Bastler designed, die den Pi in einem fertigeren Projekt oder Produkt implementieren möchten. Um das Compute Module zu nutzen, müssen Sie ein benutzerdefiniertes PCB und entsprechende Peripheriegeräte erstellen oder das offizielle Compute Module I/O Board verwenden.
Abbildung 1.5 Mit dem Compute Module lässt sich auf einfache Weise ein Raspberry Pi in ein Produktdesign implementieren.
HATs und Shields
Zahlreiche Anbieter und Open‐Hardware‐Entwickler haben Add-On-Tochter‐Boards herausgegeben, die auf auf dem Pi sitzen und über die GPIO‐Steckleiste verbunden sind. Mit diesen Boards werden Funktionen wie das Betreiben von LCD‐Anzeigen oder Motoren sowie das Verarbeiten analoger Eingangssignale von entsprechenden Sensoren ermöglicht. In einigen Fällen wird dabei die Arduino‐Terminologie verwendet. Die Tochter‐Boards werden hierbei als „Shields" bezeichnet. Die Raspberry Pi Foundation besitzt allerdings