Raspberry Pi Pico: GPIO-Grundlagen
GPIO ist die Abkürzung für General Purpose Input Output. Man bezeichnet damit programmierbare Ein- und Ausgänge für allgemeine Zwecke. Beim Raspberry Pi Pico sind die Kontakte der GPIO-Pins an den beiden langen Seiten der Platine herausgeführt. Sie dienen als Schnittstelle zu anderen Systemen oder Schaltungen, um diese über den Raspberry Pi Pico zu steuern. Dabei kann der Raspberry Pi Pico bei entsprechender Programmierung digitale Signale von außen annehmen (Input) oder Signale nach außen abgeben (Output).
Alle GPIOs verfügen durch Mehrfachbelegung über mehrere programmierbare Funktionen und Schnittstelle. Zum Beispiel I2C, SPI, UART, PWM und ADC.
GPIO-Belegung
Die GPIOs sind als Lötpunkte herausgeführt. Die meisten GPIOs dienen zur Ein- und Ausgabe und sind mehrfach belegt. Das heißt, vor deren Nutzung muss man per Programmierung eine Funktion initialisieren. Ausgenommen sind die Potential-führenden Pins. Deren Spannung ist immer fest eingestellt. Einige Pins führen ein +5V-, +3,3V- oder 0V-Potential.
GPIOs verbinden
Zur Nutzung der GPIOs müssen diese mit Bauteilen und Schaltungen verbunden werden. Dazu bringt man durch Löten oder Pressen Stiftleisten auf den Lötpunkten an der Seite des Raspberry Pi Pico an. Anschließend kann der Pico mit den Stiftleisten auf ein Steckbrett gesteckt werden oder mit Verbindungskabel verbunden werden.
- Steckbrett
- Stiftleisten
Elektrische Eigenschaften der GPIOs (Spannung und Strom)
Die GPIO-Pins weisen mehrere elektrische Eigenschaften auf, die für Elektronik-Einsteiger verwirrend sein können. Es ist allerdings allgemein so, dass alle elektrischen Systeme elektrische Eigenschaften aufweisen, die beachtet werden müssen, weil es sich dabei häufig um Kenngrößen und Grenzwerte handelt, die über Funktion und Funktionsweise des elektrischen Systems entscheiden. Die Beachtung der elektrischen Eigenschaften entscheidet darüber, ob eine Schaltung funktioniert oder nicht. Oder ob das System nach der Inbetriebnahme Schaden nimmt oder nicht.
Grundsätzlich, der Raspberry Pi Pico wird mit einer Spannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt gespeist. Allerdings arbeitet der Mikrocontroller intern mit +3,3 Volt. Das bedeutet, auch die GPIOs arbeiten mit 3,3 Volt. Sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig.
Laut Datenblatt des Mikrocontrollers RP2040 kann der Ausgangstreiber für die Stromstärken von 2, 4, 8 oder 12 mA (Milliampere) eingestellt werden. Standardmäßig sind 4 mA eingestellt. Man kann durch die entsprechende Beschaltung auch mehr Strom als 4 mA entnehmen. Allerdings muss man dabei berücksichtigen, dass die Ausgangsspannung von 3,3 Volt absinken kann.
Was bedeutet das? Sollte sich ein GPIO-Ausgang nicht wie gewünscht verhalten, sollte man die anliegende Spannung mal nachmessen.
Hinweis: Die GPIO-Pins eignen sich nur zum Schalten (von Spannung von 0 oder 3,3 Volt), aber nicht zur Stromversorgung externer Bauteile und Schaltungen. Die brauchen ihre eigene Stromversorgung. Zum Beispiel durch ein Netzteil oder eine Batterie.
GPIOs beschalten
Die GPIO-Eingänge und -Ausgängen sind ausschließlich +3,3V-kompatibel. Diese Spannung darf in keinem Fall überschritten werden. Bei der Beschaltung der GPIOs als Eingang (mit Schalter oder Taster) und Ausgang (mit Leuchtdiode und Transistor) sollten einige Dinge beachtet werden.
- Raspberry Pi Pico: GPIO-Eingang beschalten
- Raspberry Pi Pico: GPIO-Eingang mit 5 Volt beschalten
- Raspberry Pi Pico: GPIO-Eingang mit Taster beschalten und auswerten
- Raspberry Pi Pico: Taster entprellen
- Raspberry Pi Pico: GPIO-Ausgang beschalten
Sicherheitshinweise
Wenn man die Pins beschaltet, dann sollte man sicherstellen, dass die Pins entsprechend Ihrer Funktion beschaltet sind. Also ein Eingang als Eingang und ein Ausgang als Ausgang. Wenn man zwei Ausgänge miteinander verbindet und einer auf 0 V liegt und der andere auf 3,3 V, dann fließt hier ein Strom von Ausgang zu Ausgang. Das kommt einem Kurzschluss gleich, was den GPIO dauerhaft beschädigen kann.
Ist der Mikrocontroller RP2040 auf dem Raspberry Pi Pico 5V-tolerant?
Nein. Der RP2040-Mikrocontroller verwendet 3,3 Volt an seinen GPIO-Eingängen und -Ausgängen.
Wenn man 5 Volt an einem GPIO-Eingang (versehentlich) anlegt, dann kann der GPIO dabei kaputt gehen. Er kann es auch überleben.
Es ist davon abzuraten von einer 5V-Toleranz auszugehen, wenn er es doch mal überlebt hat. Dabei verkürzt sich die Lebenserwartung des Mikrocontrollers.
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