Расширитель GPIO-портов (Troyka-модуль)

GPIO Expander (Troyka-модуль) решает проблему внезапно кончившихся пинов ввода/вывода.

Модуль получает команды от управляющей платы по протоколу I²C/TWI и позволяет использовать любой из своих портов как цифровой или аналоговый вход или выход.

GPIO расширитель портов общается с управляющей платой по протоколу I²C/TWI. При подключении к Arduino или Iskra JS удобно использовать Troyka Shield.

С Troyka Slot Shield можно сэкономить два трёхпроводных шлейфа.

Теперь к устройству можно подключить до девяти Troyka-модулей.

Рассмотрим несколько примеров работы модуля с управляющими платами Arduino. Работа с Iskra JS описана на странице библиотеки @gpio-expander.

В силу светодиодной робототехники мигнём светодиодом через GPIO Expander (Troyka-модуль).

Подключите GPIO расширитель к управляющей плате через Troyka Shield или Troyka Slot Shield.

Подключите светодиод «Пиранья» (Troyka-модуль) через стандартный 3-проводной шлейф к 8 пину GPIO Expander.

Прошейте управляющую плату следующим скетчем.

troyka-gpio-expander_blink.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
 
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим выхода
  adio.pinMode(8, OUTPUT);
}
 
void loop()
{
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «высокий сигнал»
  adio.digitalWrite(8, HIGH);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «низкий сигнал»
  adio.digitalWrite(8, LOW);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
}

Светодиод будет загораться и гаснуть раз в секунду.

Добавим к предыдущему эксперименту кнопку и подключим её к расширителю портов стандартным трёхпроводным шлейфом к 1 пину.

Прошейте Arduino следующим скетчем.

troyka-gpio-expander_button_switch.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
 
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим выхода
  adio.pinMode(8, OUTPUT);
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим входа
  adio.pinMode(1, INPUT);
}
 
void loop()
{
  // считываем состояние кнопки с 1 пина на модуле GPIO Expander
  if (!adio.digitalRead(1)) {  
    // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «высокий сигнал»
    adio.digitalWrite(8, HIGH);
  } else {
    // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «низкий сигнал»
    adio.digitalWrite(8, LOW);
  }
}

Светодиод будет загораться при нажатии на кнопку.

GPIO расширитель умеет считывать аналоговый сигнал с датчиков и выводить ШИМ. Усложним наш проект, заменив кнопку на потенциометр.

Прошейте Arduino следующим скетчем.

troyka-gpio-expander_brightness_led.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
 
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим выхода
  adio.pinMode(8, OUTPUT);
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим входа
  adio.pinMode(1, INPUT);
}
 
void loop()
{
  // считываем аналоговое значение с 1 пина на модуле GPIO Expander
  int sensorValue = adio.analogRead(1);
  // преобразуем диапазон значений с потенциометра (0-4096)
  // в диапазон значений для ШИМ-сигнала (0-255) 
  int brigtness = map(sensorValue, 0, 4096, 255, 0);
  // устанавливаем светодиоду яркость
  // в соответствии от положения ручки потенциометра 
  adio.analogWrite(8, brigtness);
  // ждём 100 мс
  delay(100);
}

Светодиод будет изменять яркость в зависимости от положения потенциометра.

GPIO расширитель умеет управлять сервоприводами. Заменим светодиод на сервопривод и будем управлять им с помощью потенциометра.

troyka-gpio-expander_servo_pot.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим выхода
  adio.pinMode(8, OUTPUT);
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander2 в режим выхода
  adio.pinMode(1, INPUT);
  // устанавливаем частоту ШИМ 50 Гц
  adio.pwmFreq(50);
}
 
void loop()
{
  // сохраним в переменную показания с потенциометра
  int pot = adio.analogRead(1);
  // сделаем пересчет из показаний потенциометра в крайние значения работы сервоопривода
  int sweep = map(pot, 0, 4095, 1750, 7900);
  // подаём аналоговый 16-ти битный сигнал на пин сервопривода
  adio.analogWrite_16(8, sweep);
  // ждём 50 секунд
  delay(50);
}

По умолчанию модуль имеет адрес 42, который можно изменить прямо в скетче вашей программы. Это позволяет подключить к плате до 126 устройств расширителей портов.

Для начала необходимо подключить только один GPIO Expander, адрес которого хотим изменить.

Прошейте управляющую плату следующим скетчем.

troyka-gpio-expander_change_address.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
 
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // меняем адрес модуля на «43»
  adio.changeAddr(43);
  delay(100);
  // сохраняем адрес во Flash-памяти контроллера на модуле GPIO Expander
  adio.saveAddr();
}
 
void loop()
{
}

Адрес успешно изменён. Изменим пример с маячком, добавив второй модуль и подключим к нему второй светодиод «Пиранья».

Прошейте управляющую плату следующим скетчем.

troyka-gpio-expander_double_leds.ino

// библиотека для работы I²C
#include <Wire.h>
// библиотека для работы с модулем GPIO Expander (I²C IO)
#include <GpioExpander.h>
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 42
GpioExpander adio(42);
// создаём объект adio класса GpioExpander по адресу 43
GpioExpander adio2(43);
void setup()
{
  // включаем I²C. Для Arduino Due - Wire1.begin();
  Wire.begin();
  // Инициализируем объект adio. Для Arduino Due - adio.begin(&Wire1);
  adio.begin();
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander в режим выхода
  adio.pinMode(8, OUTPUT);
  // настраиваем пин 8 на модуле GPIO Expander2 в режим выхода
  adio2.pinMode(8, OUTPUT);
}
 
void loop()
{
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «высокий сигнал»
  adio.digitalWrite(8, HIGH);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander «низкий сигнал»
  adio.digitalWrite(8, LOW);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander2 «высокий сигнал»
  adio2.digitalWrite(8, HIGH);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
  // подаём на пин 8 модуля GPIO Expander2 «низкий сигнал»
  adio2.digitalWrite(8, LOW);
  // ждём 1 секунду
  delay(1000);
}

Светодиоды подключенные к разным расширителям будут мигать по очереди.

• Запустите меню raspi-config через терминал:

sudo raspi-config

• Включите I2C:

• Установите необходимые пакеты

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install python-dev python-pip git i2c-tools

• Просмотрите подключённые I2C-устройства

sudo i2cdetect -y 1

0x2a — это 42, адрес расширителя портов по умолчанию.

• Установите wiringpi для python

sudo pip install wiringpi2

• Скачайте библиотеку и запустите пример:

git clone https://github.com/amperka/Troyka_Gpio_Expander_python.git
cd Troyka_Gpio_Expander_python/
python example.py

Мозгом модуля является мощный 32-разрядный микроконтроллер фирмы STMicroelectronics — STM32F030F4P6 с вычислительном ядром ARM Cortex® M0.

GPIO контакты модуля расчитаны на напряжение 3.3 В. Каждый GPIO может быть независимо настроен как цифровой вход или выход и имеет возможность подтяжки как к + так и к -. Для работы с аналоговыми модулями любой порт GPIO может работать в режиме АЦП или генерировать PWM сигнал.

Группа питания и перепрошивки

• Сигнальный пин (Q) — используется для перепрошивки контроллера STM32. При обычной работе с модулем не используется.
• Питание (V) — соедините с питанием микроконтроллера
• Земля (G) — соедините с землёй микроконтроллера

Шина I2C

• Сигнальный (D) — подключите к пину SDAмикроконтроллера.
• Сигнальный (C) — подключите к пину SCLмикроконтроллера.

Для подключения нескольких модулей предусмотрена возможность смены адресов каждого модуля с помощью функции adio.changeAddr(); параметром которой является новый адрес модуля. По умолчанию на адрес модуля имеет значение 42.

Во время работы светодиод индицирует обмен данными между модулем и управляющей платой.

Используются для программирования контроллера STM32 через Serial wire debug (SWD).

• Микроконтроллер: STM32F030F4P6
• Интерфейс: I²C (адрес по умолчанию: 0x2A)
• Напряжение питания модуля: 3,3–5 В
• Портов ввода-вывода общего назначения: 9
• Напряжение логических уровней: 3,3 В
• Портов с поддержкой ШИМ: 9
• Портов с АЦП: 9
• Габариты: 25,4×25,4 мм

• GPIO Expander (Troyka-модуль) в магазине
• Векторное изображение GPIO Expander
• Библиотека для Arduino
• Библиотека для Python (RPi 3)
• Описание библиотеки для Iskra JS