Raspberry PI在課程設(shè)計中的應(yīng)用

李 偉，董安定

（鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像系，江蘇 鹽城 224000）

Raspberry PI是英國一個慈善機構(gòu)推出的一個超小型的電腦，尺寸與銀行卡相當(dāng)，開發(fā)者為劍橋大學(xué)的Eben Upton所帶領(lǐng)的一個團隊。其最引人注目的一個特點就是“超級便宜但可用性高”，價格僅需25美元卻可以運行Linux操作系統(tǒng)，甚至可以播放分辨率為1080p的視頻，這使得它一露面便引起極大的關(guān)注。自2012年4月正式問世以來，其銷量已遠超于基金會的預(yù)期。Raspberry PI包括兩種型號：Model A（25 美元）與 Model B（35 美元）。 相對于Model A來說，后者在功能上的增強非常限：幾乎僅多了一個USB口和以太網(wǎng)接口。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

Raspberry PI主要由以下幾個部分構(gòu)成[1]：

CPU：為一基于ARM11系列的 32位，主頻 700 MHz的芯片，其計算能力與iPhone 3G相當(dāng)。Model B包含了512MB的內(nèi)存，Model A有256MB。

SD卡插槽：Raspberry PI本身沒有硬盤，當(dāng)前也沒有軟件，其操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)全部都存儲到SD卡上。系統(tǒng)本身并不包括SD卡，由用戶另外購買并自行將操作系統(tǒng)寫入到SD卡中。

USB口：Raspberry PI有兩種USB接口，一個MicroUSB口用于向系統(tǒng)本身供電，另還有兩個（Model A僅有一個）用于作為普通的USB口使用。一般來講至少需要兩個USB口才夠維持系統(tǒng)正常工作，一個用于鼠標(biāo)一個用于鍵盤。如果要擴展其它外部設(shè)備或模塊（比如Arduino[2]）就必須添加一個USB HUB。

以太網(wǎng)接口：僅Model B有一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)RJ45接口，而Model A沒有。替代的方案是選擇一個USB接口的無線網(wǎng)卡。

HDMI：HDMI接口提供數(shù)字的視頻和音頻輸出，Raspberry PI支持14種不同的分辨率。考慮到目前許多顯示器的視頻接口為VGA或DIV，我們可以選擇HDMI-DIV或HDMI-VGA的轉(zhuǎn)換線，以能夠連接到大多數(shù)普通的顯示器上。

音頻輸出：除了通過HDMI輸出音頻信號，Raspberry PI也有一個標(biāo)準(zhǔn)的3.5 mm插孔，能夠接入普通的音箱或耳機。

GPIO（通用輸入輸出口）：Raspberry PI電路板有 26根引腳（2x13），支持幾種目前較為流行的幾種總線標(biāo)準(zhǔn)，包SPI、I2C、UART等，還可以向外部提供3.3 V和5 V的電壓。要注意GPIO的耐受電壓是3.3 V，盡管它可以向外提供5 V的電壓輸出。

顯示串行接口：Raspberry PI可以通過一個15針的扁平帶狀線纜與LCD或LED顯示器通信攝像頭串行接口：此端口允許直接將攝像頭模塊連接到電路板。

Raspberry PI基于移動設(shè)備的芯片，因而其操作系統(tǒng)與桌面電腦有所區(qū)別。目前支持的系統(tǒng)：

Raspbian[3]：Raspbian是一個基于Debian而對 Raspberry PI優(yōu)化了的系統(tǒng)。對于初學(xué)者來說，官方推薦使用這個系統(tǒng)。由于Raspbian是由官方出品的系統(tǒng)，因而保證了其可靠性與穩(wěn)定性，我們實際上也使用這一版本。

Arch Linux Arm:Arch Linux ARM 基于 Arch Linux，是基于ARM系列芯片的linux[4]的一個分支。其目標(biāo)是簡單和終端用戶對操作系統(tǒng)的完全控制，然而一般來講，靈活性越大難度也就越大，因而不適合初學(xué)者。

另外還有一個RISC OS，這是一個一開始就為ARM芯片開發(fā)的系統(tǒng)，由于與主流的Linux系統(tǒng)區(qū)別較大，因而不推薦使用。

Raspberry PI的官方網(wǎng)站提供以上系統(tǒng)下載。我們選擇Raspbian和適用于 Windows系統(tǒng)的寫入工具Win32DiskImager。成功寫入操作系統(tǒng)后，即可插入Raspberry PI的SD卡插槽，接上電源，顯示器及鼠標(biāo)鍵盤啟動，由于Raspberry PI本身沒有電源開關(guān)，接入電源即啟動。供電接口為MicroUSB，因而電源線可以很方便的獲得，比如說手機的充電器，或直接使用普通電腦的USB口。

2 系統(tǒng)使用

Raspberry PI的用途比較廣泛：通用計算，編程、項目開發(fā)平臺，甚至可以拿來開發(fā)產(chǎn)品。我們關(guān)心的是利用Raspberry PI來直接對硬件進行控制，相對于單片機系統(tǒng)來說，Raspberry PI除了硬件優(yōu)勢之外，它運行于一個完整的Linux操作系統(tǒng)之上。這意味著我們可以幾乎不用去關(guān)心寄存器這類的細節(jié)末節(jié)，而將主要精力放在功能的實現(xiàn)上。由于有了一個完整的操作系統(tǒng)，我們有多種高級編程語言可供選擇，這將大大的降低編程的難度，提高學(xué)生的興趣，也可以明顯的縮短項目的開發(fā)周期。對于GPIO[5]的輸入輸出控制大致上可以分為兩類，一類是使用shell來進行控制，主要有以下幾個步驟：

1）在使用命令行控制輸入輸出之前必須使當(dāng)前用戶為超級用戶，以便于讀取linux內(nèi)核文件

2）使用echo命令指定要使用的引腳號碼，如果我們要使用4號引腳，那么命令如下：

語句的作用即為將13號引腳輸出到用戶空間以便使用，echo命令會把要用的引腳號寫到目錄/sys/class/gPio中的export文件。當(dāng)我們將引腳號寫到這個特殊的文件中的時候會創(chuàng)建一個對此引腳進行控制的目錄，在本例中為“/sys/classgPio/gPio4”

3）將當(dāng)前目錄改為/sys/classgPio/gPio4，用ls命令可以看到目錄中包括以下文件

active_low direction edge power subsystem uevent value

其中的dicrction就是用來控制輸入輸出的文件，如果是輸出的話那么shell命令為：

即設(shè)定為輸出，輸出高電平則為

輸入與輸出類似：

稍微有點不同的是需要讀取輸入值

相對于shell腳本語言來說，使用如java、C++或python語言的好處是顯而易見的。比如程序的可讀性更好，便于移植等等，也更容易使得代碼模塊化以編寫更為復(fù)雜的程序。我們可以在網(wǎng)上找到各種主流語言有關(guān)Raspberry PI的相關(guān)庫函數(shù)或封裝類，使得代碼的編寫更加簡單。比如，以下分別是輸入、輸出的java語言程序[6]（使用framboos庫）：

Java語言的好處是其語法與Arduino使用的processing（源于Java）類似，因而對于學(xué)生來講當(dāng)使用兩者聯(lián)合搭建開發(fā)平臺時會使程序的編寫較為容易。另一方面，從上面的代碼我們可以看到，C語言可以對延時的時間進行較為精確的控制，因而適合于實時性較高的場合，如信號采集。Java語言還有一個優(yōu)點，可以通過http協(xié)議使用java webapp控制來控制Raspberry PI的GPIO。

3 結(jié)束語

基于Raspberry PI的課程設(shè)計比較適合于學(xué)過單片機的學(xué)生，或用于學(xué)生實習(xí)回校后的畢業(yè)設(shè)計。這對學(xué)生的軟件與硬件設(shè)計能力和邏輯思維能力都會有一個很大的提高，給學(xué)生一個對所學(xué)知識進行充分發(fā)揮的機會，使學(xué)生走出校園后適應(yīng)工作崗位也是一個較好的鍛煉。如果能夠把Raspberry PI和Arduino結(jié)合起來使用效果當(dāng)然會更好，對于個別能力比較高并且有興趣的學(xué)生我們可以單獨輔導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智。

[1]Upton E，Halfacree G.Raspberry Pi User Guide[M].USA:John Wiley&Sons Inc，2012.

[2]Banzi M.Getting Started with Arduino[M].USA:O'Reilly Media Inc，2011.

[3]Richardson M，Wallace S.Getting Started with Raspberry Pi[M].USA:O'Reilly Media Inc，2012.

[4]鳥哥著，王世江改編.鳥哥的Linux私房菜:基礎(chǔ)學(xué)習(xí)篇[M].3版.北京:人民郵電出版社，2010.

[5]RPi Low-level peripherals[EB/OL]（2013）.http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals.

[6]Wong H.RPi and Java Embedded GPIO[EB/OL]（2013）.http://blogs.oracle.com/hinkmond.

[7]Henderson G.WiringPi Examples[EB/OL]（2013）.http://projects.drogon.net/raspberry-pi.