Questa lezione descrive come accedere fisicamente ai pin GPIO del Raspberry Pi Zero ovvero come installare e saldare il connettore GPIO alla scheda.
Vengono illustrati i passi dettagliati da seguire e forniti alcuni utili suggerimenti per completare il lavoro in maniera efficace e veloce.
Interfaccia GPIO
Il Raspberry Pi è il più noto e popolare computer su singola scheda (Single Board Computer) sviluppato nel Regno Unito dalla RaspberryPi Foundation.
La prima versione denominata Raspberry Pi 1 risale ormai al lontano 2012. Da allora sono state sviluppate diverse versioni e varianti della scheda, con caratteristiche differenti in termini di CPU, memoria, connettori e dimensioni.
Una caratteristica fondamentale, che accomuna tutte le versioni della scheda Raspberry Pi, è la presenza di un connettore General Purpose Input/Output (GPIO).
Per intenderci anche la popolarissima scheda a micro controllore Arduino, dispone di un connettore GPIO.
L’interfaccia GPIO permette l’interconnessione del micro processore, o micro controllore nel caso di Arduino, con uno o più dispositivi digitali esterni.
Come si evince dal nome, tramite l’interfaccia GPIO, è possibile leggere (INPUT) lo stato di un dispositivo esterno, oppure impostare un valore (OUTPUT) sempre su di un dispositivo esterno.
Per esempio si può leggere lo stato di un pulsante, collegato ad un pin GPIO del Raspberry Pi, per poi effettuare una specifica azione.
In uscita, sempre tramite un pin GPIO, è possibile impostare lo stato di un Led accendendolo e spegnendolo.
Altri esempi di INPUT sono:
- Lettura della temperatura esterna tramite un termometro digitale
- Lettura della pressione barometrica esterna
- Lettura di un messaggio seriale inviato da un altro dispositivo
- Lettura di un fine corsa di un carrello tramite un pulsante
- Lettura di un interruttore o switch
Esempi di OUTPUT sono:
- Accensione di un Led tradizionale
- Controllo di un Led digitale WS2812
- Scrittura su un display alfanumerico
- Disegno su un display grafico
- Controllo della velocità di un motore a corrente continua tramite apposito driver
Tutti i modelli di Raspberry Pi, vengono venduti con il connettore GPIO già installato. Fanno eccezione le due schede più piccole Raspberry Pi Zero e Raspberry Pi Zero W.
Raspberry Pi Zero
Normalmente il Raspberry PI Zero (modelli Zero e Zero W) viene venduto privo del connettore GPIO a 40 pin, che è un componente opzionale acquistabile separatamente.
La mancanza del connettore GPIO non rappresenta un problema in sè e non compromette in nessun modo il funzionamento del Raspebrry Pi.
Chiaramente risulta poco pratico, se non impossibile, usare il Raspberry Pi in progetti, di stampo maker, in cui si fa uso dei pin GPIO, per esempio per comandare un relè esterno.
La scheda, presenta sul bordo superiore, due file di 20 fori ciascuna. Queste sono le piazzole su cui è possibile montare e saldare un connettore a 40 pin, di facilissima reperibilità commerciale.
Questo connettore, viene genericamente chiamato 2 Row Pin Header (Male). In italiano "connettore pin maschio su due righe". Il passo di questo connettore è standard è misura esattamente 2.54 mm.
Per essere utilizzato e montato correttamente sul Raspberry Pi Zero deve avere 20 pin per riga e quindi 40 pin totali.
Installazione del connettore GPIO a 40 pin
Di seguito viene descritto come installare e saldare il connettore GPIO a 40 pin, sul Raspberry Pi Zero in modo pratico e veloce.
Per portare a termine l’installazione del connettore GPIO, sono necessari i seguenti componenti:
- Il Raspberry Pi Zero
- Il connettore GPIO a 40 pin maschio
- Una breadboard
Inoltre sono necessari i seguenti strumenti:
- Un saldatore a stagno con punta fine
- Una matassa di stagno di sezione ridotta (Sn60/Pb40 – Gauge 22 o 0.7 mm)
La saldatura a stagno
La saldatura a stagno di circuiti stampati è una tecnica piuttosto semplice quindi non deve spaventare.
Se si dispone di un saldatore con punta fine e di una matassa di stagno di qualità, la saldatura del connettore GPIO risulta abbastanza semplice. Può essere effettuata da chiunque con un minimo di pratica.
Nota: l'immagine è estratta dalla versione PDF in italiano rilasciata da Michele Maffucci che a sua volta è una traduzione della versione originale rilasciata sotto licenza Creative Common da Andie Nordgren.
In breve i passi per effettuare una buona saldatura, sono i seguenti:
- Scaldare bene il saldatore portando la punta ad una temperatura di circa 300/350° Celsius.
- Posizionare la punta del saldatore a contatto con il pin e la piazzola per circa 1 secondo.
- Sciogliere una piccola quantità di stagno (circa 1-2 mm in lunghezza) posizionando il filo sotto la punta del saldatore.
- Non appena lo stagno si è sciolto rimuovere il filo di stagno per evitare un deposito eccessivo.
- Mantenere ancora la punta del saldatore in posizione per un altro secondo in modo da far distribuire lo stagno uniformemente sul pin e sulla piazzola.
- Rimuovere la punta del saldatore permettendo allo stagno di solidificarsi.
- Verificare che la saldatura sia uniforme e che connetta bene il pin alla piazzola.
Qualora una saldatura non risulti soddisfacente è possibile rimuovere lo stagno depositato tramite una piccola pompetta aspirante ed effettuare nuovamente la saldatura.
Descriviamo ora in dettaglio i passi da seguire per saldare il connettore GPIO al Raspberry Pi Zero.
Passo #1
La prima cosa da fare è assicurarsi che le piazzole del Raspberry Pi e i pin del connettore GPIO siano ben puliti. In caso contrario, tramite un piccolo pezzo di cotone o carta, ripulirli accuratamente.
Passo #2
Inserire il connettore GPIO a 40 pin al centro della breadboard prestando attenzione affinché tutti i pin siano correttamente inseriti nei fori della breadboard.
Se il connettore è stato inserito correttamente deve essere abbastanza difficile poterlo rimuovere solo con l’uso delle mani.
In caso non abbiate una breadboard a disposizione è possibile utilizzare una “terza mano”. Tuttavia ciò renderebbe il processo di saldatura più difficile pertanto è sconsigliato.
L’utilizzo della breadboard permette di creare una base stabile e di tenere fermo il connettore a 40 pin quindi consente di facilitare le operazioni di saldatura e la qualità finale del lavoro.
Passo #3
Capovolgere il Raspberry Pi Zero e inserire i 40 fori in modo che combacino esattamente con il connettore GPIO precedentemente fissato sulla breadboard.
In questo modo il Raspberry Pi è posizionato in modo stabile sulla breadboard pertanto è possibile ottenere delle saldature più precise.
Questo piccolo stratagemma permette di potersi concentrare sulle saldature non dovendo preoccuparsi troppo di mantenere il connettore e il Raspberry Pi in una posizione stabile.
Passo #4
Dopo aver scaldato il saldatore a una temperatura di circa 300/350° Celsius, iniziare a saldare i due pin negli angoli opposti, come indicato in figura.
Questo permette di fissare il PCB del Raspberry Pi al connettore GPIO aumentando la stabilità della scheda.
È importantissimo utilizzare un saldatore ben caldo e con una punta di dimensioni adeguate. Lo spazio tra i pin è ridotto ma comunque sufficiente a permettere di avvicinare la punta del saldatore a un solo pin per volta.
Passo #5
Continuare a saldare tutti i pin in maniera ordinata.
Saldare prima tutti i pin della prima riga per poi passare a quelli della seconda.
Come si vede in figura, per effettuare una saldatura corretta, avvicinare la punta del saldatore in modo che tocchi un pin e la piazzola. Poi tenere il saldatore a contatto con il pin per 1-2 secondi in modo da scaldarlo correttamente.
Ora portare a contatto il filo di stagno con il pin e la punta del saldatore in modo che si sciolga una piccola goccia di stagno.
Rimuovere il filo di stagno e, dopo 1 secondo circa, sollevare dolcemente il saldatore.
La goccia di stagno a questo punto aderisce sulla piazzola del PCB e si solidifica velocemente andando così a saldare il pin del connettore al Raspberry Pi.
Una volta terminata la saldatura di tutti i pin si dovrebbe ottenere un risultato simile a quello in figura.
Passo #6
Estrarre il Raspberry Pi dalla breadboard, con dolcezza e calma, evitando di piegare uno o più pin del connettore GPIO.
Conclusioni
In questa lezione abbiamo descritto in dettaglio i passi per poter saldare il connettore GPIO a 40 pin sulla scheda del Raspberry Pi Zero. Abbiamo anche elencato i componenti e gli strumenti per portare a termine l'operazione.
A questo punto il Rapsberry Pi Zero è pronto, potrà essere utilizzato per un’infinità di progetti che, tramite i pin GPIO utilizzano e pilotano componenti esterni. L'uso dei GPIO sarà oggetto di lezioni future di questa guida.
