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GPIO und Pegelgpio pegel

Aber so ein GPIO soll Zustände ein- oder annehmen und nicht Räume heizen. Zustände ein- und annehmen bedeutet, dass entweder eine Spannung am GPIO ausgegeben werden soll, dass wäre dann ein Ausgang oder eine Spannung an den GPIO angelegt werden soll, dass wäre dann ein Eingang. Spannungen, die vorwiegend zu Steuerungszwecken angelegt oder abgegeben werden, nennt man auch Pegel. Normalerweise misst man einen Pegel immer gegen Gerätemasse.

Schön einfach wäre es, wenn nun ein Pegel genau definiert wäre, ist er aber nicht. Bei digitalen Anwendungen, wo es bekanntlich nur die Zustände "Ein" und "Aus" geben sollte, ist das noch überschaubar, wie wir gleich sehen werden. Ein GPIO ist aber nicht auf die digitale Welt beschränkt, sondern kann, wenn er so entworfen ist, auch analoge Signale verarbeiten. Auch dazu werden wir noch kommen.

 

Digitale Pegel

gpio digitalNehmen wir uns erst mal den digitalen Pegel vor, den man auch Logikpegel nennt. Hier nutz man, um die Zustände zu beschreiben Begriffe wie high, H oder 1 und low, L oder 0. Wer nun glaubt, man könnte diesen Logikpegeln eine konkrete Spannung zuordnen liegt leider falsch. Es gibt mehrere Logikpegel, die auf Grund der technischen Entwicklung entstanden sind. Dies hängt damit zusammen, dass die Geräte immer energiesparender und mobiler werden sollen und auch mit neuen leichteren Energiespeichern ausgerüstet werden, die dann nicht unbedingt hohe Spannungen liefern. Ich möchte Euch jetzt nicht verwirren, aber wir sollten kurz mal über folgende Tabelle sprechen.

 

  EingangAusgang
BezeichnungBetriebs
-spannung
low highlowhigh
TTL5V  ≤ 0,8  ≥ 2,0  ≤ 0,4  ≥ 2,4
CMOS5V  ≤ 1,5  ≥ 3,5  ≤ 0,5  ≥ 4,44
LVTTL / CMOS3,3V  ≤ 0,8  ≥ 2,0  ≤ 0,4  ≥ 2,4
CMOS2,5V  ≤ 0,7  ≥ 1,7  ≤ 0,2  ≥ 2,3
CMOS1,8V  ≤ 0,7  ≥ 1,17  ≤ 0,45  ≥ 1,2

 

Wie Ihr seht gibt es da mehrere Standards, wobei eben selbst im digitalen Bereich low nicht 0V und high nicht gleich der Betriebsspannung ist. Typische 5V Vertreter sind z.B. einige Arduinomodelle oder auch der USB-Anschluss. 3,3V kommt uns natürlich vom Raspberry Pi her bekannt vor. Auch Banana Pi und Arietta G25 nutzen den 3,3V Pegel. Inzwischen gibt es auch Mikroprozessoren die den 2,5V Pegel nutzen. Das scheint aber nur eine Zwischenstufe zu sein, denn immer häufiger findet man Geräte wie zum Beispiel den Intel® Edison mit einem 1,8V Pegel.

Warum erzähle ich Euch das nun? Der Grund ist folgender: Wir wollen mit den GPIOs schließlich mit der Aussenwelt in Verbindung treten. Passen nun die Teile, die wir anschließen möchten nicht zu den Pegeln, gibt es Probleme. Eine bekannte Herausforderung ist zum Beispiel der Anschluss einer Relaiskarte, die für den 5V-Pegel des Arduino entwickelt wurde, an den Raspberry Pi.

 

Analoge Signale

gpio analogIch erwähnte bereits, das es auch GPIOs gibt, die analoge Signale verarbeiten oder abgeben können. Analog bedeutet in unserem Fall, dass der GPIO in der Lage ist, in einem bestimmten Bereich einen kontinuierlichen Spannungsverlauf abzugeben oder aufzunehmen. Es gibt also keine Konstanten wie high und low. Irgendwo im Chip wird das Signal dann aber doch wieder in die digitale Welt gebracht. Die Schaltung die dafür verantwortlich ist, nennt man für den Eingang eines analogen Signals Analog-Digital-Wandler. Für den analogen Ausgang nutzt man, wie soll es auch anders sein, einen Digital Analog-Wandler. An dieser Stelle soll uns als Erkenntnis erst einmal ausreichen, dass es sowas gibt, den die Umwandlung von analogen in digitale Signale und umgekehrt ist schon wieder ein Thema für sich.

Kommentare   

0 #7 yassine Müller 2019-07-17 15:51
zitiere raven:
Ok, wie mache ich das wenn ich drei GPIO´s mit drei Tastern schalten will ? Bei mir werden beim betätigen einer Taste alle drei GPIO´s geschaltet.

Du nimmst drei schalter die mit high verbunden sind und mit dem GPIO-Pin.
Wichtig ist, dass der sie alle einzeln sind also nicht hintereinander sondern nebeneinander also von High-Spannung zum Schalter zum GPIO und das 3 mal.
Diese verbindest du über einen Pulldownwieders tand wieder alle einzeln mit GND.
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0 #6 raven 2016-07-03 19:52
Ok, wie mache ich das wenn ich drei GPIO´s mit drei Tastern schalten will ? Bei mir werden beim betätigen einer Taste alle drei GPIO´s geschaltet.
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0 #5 Jörg Neumann 2015-10-23 16:27
zitiere Michael:
habe mir gerade eine 8-Kanal-Relaiskarte bei Pollin gekauft. (daypower) Diese verfügt über Optokoppler im jeweiligen Eingang. In der Anleitung heisst es, dass die Eingänge auf Masse gezogen werden müssen, damit die jeweiligen Relais schalten. Das sagt mir so gar nichts. Können Sie mir da weiterhelfen?


Die GPIOs müssen dazu als Ausgang konfiguriert sein. An COM (nicht an Vcc) können die 3,3V vom Raspberry Pi genommen werden. Sollte es nicht funktionieren, kann da durch die Dioden die Spannung verringert, auch 5V genommen werden. Wenn die Relais aus sein sollen, muss der GPIO auf high gesetzt werden, sobald er auf low gesetzt wird zieht das Relais an.
Für weitere Fragen würde ich bitten, ein Thread im Forum dazu zu eröffnen.
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0 #4 Michael 2015-10-23 12:30
Hallo Herr Neumann,

habe mir gerade eine 8-Kanal-Relaisk arte bei Pollin gekauft. (daypower) Diese verfügt über Optokoppler im jeweiligen Eingang. In der Anleitung heisst es, dass die Eingänge auf Masse gezogen werden müssen, damit die jeweiligen Relais schalten. Das sagt mir so gar nichts. Können Sie mir da weiterhelfen? (Link: zum PDF: www.pollin.de/.../D810273B.PDF )
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0 #3 H.Freitag 2015-08-22 13:16
Hallo Herr Neumann,

ich besitze noch den Vorgänger der Pi 2 und überlege mir ob ich mir die ganz neue Version zulegen soll. Nachdem ich aber, per Zufall ^^, auf Ihre Seite und vor allem dieses GPIO Tutorial, gestoßen bin werde ich mir jetzt gleiche ein PI 2 bestellen. Ich bin absoluter Laie in Sache Elektronik usw. aber ich denke mit Ihrer Seite und evtl. Sachbücher werde ich auch die Hürde meistern. Vielen Dank für Ihre Mühe und machen Sie bitte weiter so.

MfG H.Freitag
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+3 #2 Jörg Neumann 2015-02-19 17:55
Ich habe die Bilder nicht nummeriert. Welches Bild ist genau gemeint? Einen Kurzschluss gibt es offensichtlich nur bei dem zweiten Bild im Absatz "Pullup und Pulldown" und dass ist gewollt.
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-4 #1 User 2015-02-19 17:19
In Bild 2 wäre das ein glatter Kurzschluss!
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