Расширитель выводов, FLASH-I2C (Trema-модуль), подключаем к Raspberry

Общие сведения:

Trema модуль - Расширитель выводов, I2C-flash - является устройством ввода/вывода с подключением по шине I2С. У модуля имеются 8 выводов, каждый из которых может работать в качестве: цифрового входа, цифрового выхода, или аналогового входа. Первые 4 вывода (с номерами 0 - 3) могут работать в качестве выходов с ШИМ, они же позволяют управлять сервоприводами.

Модуль относится к серии «Flash», а значит к одной шине I2C можно подключить более 100 модулей, так как их адрес на шине I2C (по умолчанию 0x09), хранящийся в энергонезависимой памяти, можно менять программно.

Модуль можно использовать в любых проектах где требуется большое число выводов, как цифровых, так и аналоговых.

Видео:

Спецификация:

• Напряжение питания: 3,3 или 5 В (постоянного тока)
• Потребляемый ток: до 6 мА.
• Напряжение логических уровней: 3,3 В (все выводы толерантны к 5 В).
• Напряжение аналоговых уровней: до 3,3 В (все выводы толерантны к 5 В).
• Разрешение АЦП: 12 бит (значение от 0 до 4095).
• Разрешение ШИМ: 12 бит (значение от 0 до 4095).
• Частота ШИМ: 1 - 12'000 Гц (по умолчанию 490 Гц).
• Количество цифровых выводов: 8 (работают как на вход, так и на выход).
• Количество аналоговых входов: 8 (АЦП).
• Количество выходов с поддержкой ШИМ: 4 (выводы № 0 - 3).
• Интерфейс: I2C.
• Скорость шины I2C: 100 кбит/с.
• Адрес на шине I2C: устанавливается программно (по умолчанию 0x09).
• Уровень логической 1 на линиях шины I2C: 3,3 В (толерантны к 5 В).
• Рабочая температура: от -40 до +65 °C.
• Габариты: 30 x 30 мм.
• Вес: 7 г.

Все модули линейки "Trema" выполнены в одном формате

Подключение:

Модуль подключается по шине I2C, все выводы которой (GND, Vcc, SDA, SCL) размещены на одной колодке модуля.

• SCL - вход/выход линии тактирования шины I2C.
• SDA - вход/выход линии данных шины I2C.
• Vcc - вход питания 3,3 или 5 В.
• GND - общий вывод питания.

Для удобства подключения, предлагаем воспользоваться Trema+Expander Hat.

Модуль удобно подключать 2 способами, в зависимости от ситуации:

Способ - 1: Используя провода и Raspberry Pi

Используя провода «Мама — Мама», подключаем  напрямую к Raspberry Pi, согласно следующей таблице:

Вывод модуля	Вывод Raspberry
Vcc	3.3V
GND	GND
SDA	GPIO 23
SCL	GPIO 24

Способ - 2: Используя Trema+Expander Hat

Подключаем к Trema+Expander Hat.

Питание:

Входное напряжение питания модуля 3,3В или 5В постоянного тока (поддерживаются оба напряжения питания), подаётся на выводы Vcc и GND.

Питание:

Входное напряжение питания модуля 3,3В или 5В постоянного тока (поддерживаются оба напряжения питания), подаётся на выводы Vcc и GND.

Подробнее о модуле:

Модуль построен на базе микроконтроллера STM32F030F4 и снабжен собственным стабилизатором напряжения. У модуля имеются 8 выводов GPIO размещённых на белой колодке. Каждый вывод пронумерован с обеих сторон платы. Рядом с выводами GPIO есть два вывода питания (Vcc - красная колодка и GND - чёрная колодка). Все выводы GPIO могут работать как цифровые входы/выходы, так и в качестве аналоговых входов, а выводы 0-3 поддерживают вывод сигналов ШИМ на аппаратном уровне. На каждом выводе GPIO установлена схема защиты микроконтроллера от напряжений выше 3,3 В.

Модуль позволяет:

• Менять свой адрес на шине I2C.
• Считывать или задавать логические уровни на любом выводе GPIO.
• Считывать аналоговый уровень (12 бит АЦП) с любого вывода GPIO.
• Задавать сигнал ШИМ с указанным коэффициентом заполнения (12 бит) на первых 4 выводах.
• Задавать частоту ШИМ от 1 до 12'000 Гц (по умолчанию 490 Гц).
• Внутрисхемно подключать подтягивающие или прижимающие резисторы для каждого вывода.
• Выбирать внутреннюю схему работы выхода (двухтактная / с общим стоком).
• Управлять сервоприводами подключёнными к выводам GPIO 0 - 3.

Примеры:

Специально для работы с Trema модулем - Расширитель выводов, I2C-flash, нами разработана библиотека pyiArduinoI2Cexpander которая позволяет реализовать все функции модуля.

Для подключения библиотеки необходимо сначала её установить. Сделать это можно в менеджере модулей в Thonny или в терминале Raspberry, в виртуальной среде, командой:

pip install pyiArduinoI2Cexpander

Смена адреса модуля на шине I2C:

# Подключаем библиотеку для работы с расширителем выводов
from pyiArduinoI2Cexpander import *
import sys

# Создаём объект module для работы с функциями и методами библиотеки pyiArduinoI2Cexpander.
# Если при объявлении объекта указать адрес, например, module(0x0B),
# то пример будет работать с тем модулем, адрес которого был указан.
module = pyiArduinoI2Cexpander(auto = NO_BEGIN, bus = "/dev/i2c-3")

# Если сценарию не были переданы аргументы
if len(sys.argv) < 2:
    # Назначаем модулю адрес (0x07 < адрес < 0x7F).
    newAddress = 0x09

# Иначе
else:
    # Новый адрес - первый аргумент
    newAddress = int(sys.argv[1])

# Если модуль найден
if module.begin():
    print("Найден модуль %#.2x" % module.getAddress())

    # Если адрес удалось изменить
    if module.changeAddress(newAddress):
            print("Адрес изменён на %#.2x" % module.getAddress())

    else:
            print("Адрес не изменён!")

else:
    print("Датчик не найден!")

Для работы данного примера, на шине I2C должен быть только один расширитель выводов.

Данный скрипт демонстрирует не только возможность смены адреса на указанный в переменной newAddress, но и обнаружение, и вывод текущего адреса модуля на шине I2C.

Работа с логическими уровнями:

from pyiArduinoI2Cexpander import *     # Подключаем модуль для работы с расширителем выводов.
from time import sleep                  # Импортируем фунуцию ожидания из модуля времени
exp = pyiArduinoI2Cexpander(address = 0x09, bus = "/dev/i2c-3")  # Создаём объект exp для работы с функциями модуля pyiArduinoI2Cexpander, указывая адрес модуля на шине I2C.

exp.pinMode(0, INPUT,  DIGITAL)         # Конфигурируем вывод 0 на работу в качестве цифрового входа.
# exp.pinPull(0, PULL_UP)               # Подтягиваем вход 0 до уровня VCC через внутренний резистор (для работы с кнопкой).
# exp.pinPull(0, PULL_DOWN)             # Прижимаем   вход 0 к  уровню GND через внутренний резистор (для работы с кнопкой).
exp.pinMode(1, OUTPUT, DIGITAL)         # Конфигурируем вывод 1 на работу в качестве цифрового выхода.
                                        #
whiel True:                             #
    level = exp.digitalRead(0)          #   Читаем логический уровень с вывода №0 в переменную «level».
    exp.digitalWrite(1, level)          #   Устанавливаем на выводе №1 уровень равный значению «level».
    sleep(.1)                           #

Данный пример устанавливает на 1 выводе логический уровень равный логическому уровню поступившему на вывод 0. Если логический уровень на выводе 0 создаётся кнопкой, то этот вывод можно подтянуть до уровня Vcc или прижать к уровню GND, в зависимости от схемы подключения кнопки.

Работа с аналоговыми уровнями:

from pyiArduinoI2Cexpander import *     # Подключаем модуль для работы с расширителем выводов.
from time import sleep                  # Импортируем фунуцию ожидания из модуля времени
exp = pyiArduinoI2Cexpander(address = 0x09, bus = "/dev/i2c-3")  # Создаём объект exp для работы с функциями модуля pyiArduinoI2Cexpander, указывая адрес модуля на шине I2C.
                                        # Если создать объект без указания адреса ( exp = pyiArduinoI2Cexpander() ), то адрес будет найден автоматически.
exp.pinMode(0, INPUT,  ANALOG)          #   Конфигурируем вывод 0 на работу в качестве аналогового входа.
exp.pinMode(1, OUTPUT, ANALOG)          #   Конфигурируем вывод 1 на работу в качестве аналогового выхода.
                                        #
while True:                             #
    level = exp.analogRead(0)           #   Читаем аналоговый уровень с вывода №0 в переменную «level».
    exp.analogWrite(1, level)           #   Устанавливаем на выводе №1 уровень равный значению «level».
    sleep(.1)                           #

Данный пример устанавливает на 1 выводе сигнал ШИМ, уровень которого прямо пропорционален напряжению подведённому к выводу 0. Удобство данного примера заключается в том, что диапазон считанных аналоговых уровней (0-4095) совпадает с диапазоном устанавливаемых значений ШИМ (0-4095).

Чтение логического уровня с аналогового входа:

from pyiArduinoI2Cexpander import *     # Подключаем модуль для работы с расширителем выводов.
from time import sleep                  # Импортируем фунуцию ожидания из модуля времени
exp = pyiArduinoI2Cexpander(address = 0x09, bus = "/dev/i2c-3")       # Создаём объект exp для работы с функциями модуля pyiArduinoI2Cexpander, указывая адрес модуля на шине I2C.
                                        # Если создать объект без указания адреса ( exp = pyiArduinoI2Cexpander() ), то адрес будет найден автоматически.
                                        #
exp.pinMode(0, INPUT,  ANALOG)          # Конфигурируем вывод 0 на работу в качестве аналогового входа.
exp.pinMode(1, OUTPUT, DIGITAL)         # Конфигурируем вывод 1 на работу в качестве цифрового выхода.
exp.levelWrite(512)                     # Указываем аналоговый уровень разделяющий уровень логического 0 от 1.
exp.levelHyst(12)                       # Указываем гистерезис аналогового уровня в ±12.
                                        #
while True:                             #
    level = exp.levelRead(0)            # Читаем логический уровень с аналогового вывода №0 в переменную «level».
    exp.digitalWrite(1, level)          # Устанавливаем на выводе №1 уровень равный значению «level».
    sleep(.1)                           #

Данный пример преобразует аналоговый уровень со входа 0 в логический уровень на выходе 1. Главной особенностью данного примера является то, что exp.levelWrite(512) задаёт границу по которой модуль определяет разницу между уровнями логической 1 и логического 0 на аналоговом входе (все аналоговые значения выше 512+12 будут расценены как логическая 1, все значения ниже 512-12 будут расценены как 0, а значения 512-12...512+12 вернут предыдущий логический уровень). Таким образом модуль способен считывать данные со схем, логические уровни которых ниже 3,3 В.

Управление сервоприводами:

from pyiArduinoI2Cexpander import *     # Подключаем модуль для работы с расширителем выводов.
from time import sleep                  # Импортируем фунуцию ожидания из модуля времени
exp = pyiArduinoI2Cexpander(address = 0x09, bus = "/dev/i2c-3")  # Создаём объект exp для работы с функциями модуля pyiArduinoI2Cexpander, указывая адрес модуля на шине I2C.
                                        # Если создать объект без указания адреса ( exp = pyiArduinoI2Cexpander() ), то адрес будет найден автоматически.
                                        #
exp.pinMode(0, OUTPUT, SERVO)           # Конфигурируем вывод 0 на работу в качестве выхода для сервопривода.
exp.pinMode(1, OUTPUT, SERVO)           # Конфигурируем вывод 1 на работу в качестве выхода для сервопривода.
# exp.servoAttach(0, 500, 2500, 0, 180) # Определяем параметры сервопривода: вывод 0, длительность импульсов от 500 до 2500 мс, угол поворота от 0 до 180°.
# exp.servoAttach(1, 513, 2430, 0, 180) # Определяем параметры сервопривода: вывод 1, длительность импульсов от 513 до 2430 мс, угол поворота от 0 до 180°.
                                        #
whiel True:                             #
    exp.servoWrite(0, 170)              # Поворачиваем сервопривод подключённый к выводу 0 в угол 170°,
    exp.servoWrite(1, 100)              # а подключённый к выводу 1 в угол 100° и
    sleep(.5)                           # ждём пол секунды.
                                        #
    exp.servoWrite(0, 10)               # Поворачиваем сервопривода (на выводе 0) в угол 10°,
    exp.servoWrite(1, 10)               # поворачиваем сервопривода (на выводе 1) в угол 10°,
    sleep(.5);                          # ждём пол секунды.

Данный пример поворачивает один сервопривод на угол 170°, а второй на угол 100°, ждёт пол секунды и возвращает оба сервопривода в угол 0°, через пол секунды всё повторяется. Если Ваш сервопривод имеет угол поворота не 180°, а 60°, 90°, 270°, 360° и т.д., или он не точно поворачивается, или Вы желаете ограничить угол его поворота, то Вы можете настроить его параметры, указав крайние углы поворота и длительность импульсов ШИМ для них при помощи функции servoAttach().

Описание функций библиотеки:

Подключение модуля:

from pyiArduinoI2Cexpander import *

Создание объекта:

exp = pyiArduinoI2Cexpander(address = АДРЕС, bus = "ПУТЬ К ШИНЕ I2C")

Функция begin()

• Назначение: инициализация расширителя выводов
• Синтаксис: exp.begin()
• Параметры: нет
• Возвращаемые значения: флаг инициализации
• Примечание: функция не обязательная, выполняется автоматически при создании объекта. Можно использовать для проверки наличия устройства на шине.
• Пример:

if exp.begin():
    print("устройство найдено и инициализировано")
else:
    print("устройство не найдено, проверьте включена ли шина I2C")

Функция changeAddress()

• Назначение: смена адреса устройства
• Синтаксис: exp.changeAddress(newAddr)
• Параметры: newAddr - новый адрес для устройства
• Возвращаемые значения: флаг выполнения. 1 - успешно, 0 - неуспешно.
• Примечание: нет
• Пример:

exp.changeAddress(0x0A)

Функция reset()

• Назначение: перезагрузка устройства
• Синтаксис: exp.reset()
• Параметры: нет
• Возвращаемые значения: флаг выполнения
• Примечание: нет
• Пример:

exp.reset()

Функция getAddress()

• Назначение: узнать текущий адрес устройства на шине I2C
• Синтаксис: exp.getAddress()
• Параметры: нет
• Возвращаемые значения: текущий адрес модуля на шине I2C
• Примечание: нет
• Пример:

addr = exp.getAddress()

Функция getVersion()

• Назначение: узнать текущую версию прошивки модуля
• Синтаксис: exp.getVersion()
• Параметры: нет
• Возвращаемые значения: текущая версия прошивки модуля
• Примечание: нет
• Пример:

ver = exp.getVersion()

Функция pinMode()

• Назначение: конфигурирование выводов
• Синтаксис: exp.pinMode(pin, dir, type)
• Параметры: 
  • pin - номер вывода (0-7)
  • dir - направление работы вывода (INPUT, OUTPUT)
  • type - тип сигнала (ANALOG, DIGITAL, SERVO)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: функция не обязательная, выполняется автоматически при вызове функций, связанных с чтением или установкой уровней на выводах. Можно использовать, если необходимо чтоб вышеупомянутые функции выполнялись быстрее в первый раз в коде.
• Пример:

pot = 0
led = 1
servo = 3
exp.pinMode(pot, INPUT, ANALOG)
exp.pinMode(led, OUTPUT, DIGITAL)
exp.pinMode(servo, OUTPUT, SERVO)

Функция pinPull()

• Назначение: подключение к выводу прижимающего или подтягивающего резистора
• Синтаксис: exp.pinMode(pin, pull)
• Параметры: 
  • pin - номер вывода (0-7)
  • pull - резистор (PULL_UP, PULL_DOWN, PULL_NO)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

button_pin = 0
exp.pinPull(button_pin, PULL_UP)

Функция pinOutScheme()

• Назначение: выбор схемы выхода
• Синтаксис: exp.pinOutScheme(pin, mode)
• Параметры:
  • pin - номер вывода (0-7)
  • mode - схема (OUT_PUSH_PULL, OUT_OPEN_DRAIN)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

exp.pinOutScheme(0, OUT_PUSH_PULL)
exp.pinOutScheme(1, OUT_OPEN_DRAIN)

Функция digitalWrite()

• Назначение: установка логического уровня
• Синтаксис: exp.digtalWrite(pin, level)
• Параметры:
  • pin - номер вывода (0-7)
  • level - логический уровень (0, 1)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

led_pin = 1
exp.digitalWrite(led_pin, HIGH)

Функция digitalRead()

• Назначение: чтение логического уровня
• Синтаксис: exp.digitalRead(pin)
• Параметры: pin - номер вывода (0-7)
• Возвращаемые значения: логический уровень вывода
• Примечание: нет
• Пример:

button_pin = 0
exp.digitalRead(button_pin)

Функция analogWrite()

• Назначение:  установка аналогового уровня
• Синтаксис: exp.analogWrite(pin, level)
• Параметры: 
  • pin - номер вывода (0-7)** **
  • level - аналоговый уровень (0-4095)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

led_pin = 1
exp.analogWrita(led_pin, 2048)

Функция analogRead()

• Назначение:  чтение аналогового уровня
• Синтаксис: exp.analogRead(pin)
• Параметры: pin - номер вывода (0-7)
• Возвращаемые значения: аналоговый уровень (0-4095)
• Примечание: нет
• Пример:

pot_pin = 3
val = exp.analogRead(pot_pin)

Функция analogAveraging()

• Назначение: установка коэффициента усреднения показаний АЦП
• Синтаксис: exp.analogAveraging(coef)
• Параметры: coef - коэффициент усреднения (0-255)
• Возвращаемые значения: нет
• Примечание: нет
• Пример:

exp.analogAveraging(255)

Функция levelWrite()

• Назначение: установка аналогового уровня для функции levelRead()
• Синтаксис: exp.levelWrite(level)
• Параметры: level - аналоговый уровень, разделяющий логический 0 и 1 (0-4095)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

exp.levelWrite(512)

Функция levelRead()

• Назначение: чтение логического уровня с аналогового вывода
• Синтаксис: exp.levelRead()
• Параметры: pin - номер вывода (0-7)
• Возвращаемые значения: логический уровень (0, 1)
• Примечание: нет
• Пример:

pot_pin = 3
exp.levelWrite(512)
val = exp.levelRead(pot_pin)

Функция levelHyst()

• Назначение: установка гистерезиса для функции levelRead()
• Синтаксис: exp.levelHyst(hyst)
• Параметры: hyst - гистерезис (0-4094)
• Возвращаемые значения: нет
• Примечание: нет
• Пример:

exp.levelHyst(12)

Функция freqPWM()

• Назначение: установка частоты ШИМ
• Синтаксис: exp.freqPWM(freq)
• Параметры: freq - частота ШИМ в кГц (0-12000)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

exp.freqPWM(440)

Функция servoAttach()

• Назначение: конфигурирование вывода для сервопривода
• Синтаксис: exp.servoAttach(pin, width_min, width_max, angle_min, angle_max)
• Параметры: 
  • pin - номер вывода (0-7)
  • width_min - минимальная ширина импульса, мкс (0-20000)
  • width_max - максимальная ширина импульса, мкс (0-20000)
  • angle_min - угол при минимальной ширине, градусы (0-360°)
  • angle_max - угол при максимальной ширине, градусы (0-360°)
• Возвращаемые значения:нет
• Примечание: нет
• Пример:

servo_pin = 0
exp.pinMode(servo_pin, OUTPUT, SERVO)
exp.servoAttach(servo_pin, 500, 2500, 0, 180)

Функция servoWrite()

• Назначение: установка угла поворота сервопривода
• Синтаксис: exp.servoWrite(pin, angle)
• Параметры: 
  • pin - номер вывода (0-3)
  • angle - угол поворота, градусы(0-360°)
• Возвращаемые значения: нет
• Примечание: нет
• Пример:

servo_pin = 0
exp.servoWrite(servo_pin, 90)

Функция servoWriteMicroseconds()

• Назначение: установка ширины импульсов для сервопривода
• Синтаксис: exp.servoWriteMicroseconds(pin, width)
• Параметры:
  • pin - номер вывода (0-3)
  • width - ширина импульсов, мкс (0-20000)
• Возвращаемые значения: нет
• Примечание: нет
• Пример:

servo_pin = 0
exp.servoWriteMicroseconds(servo_pin, 1500)

Функция changeBus()

• Назначение: Установка шины I2C
• Синтаксис: changeBus( ПУТЬ К ФАЙЛУ ШИНЫ )
• Параметр:
  • ПУТЬ К ФАЙЛУ ШИНЫ - строка
• Возвращаемые значения: Нет.
• Примечание:
• Пример:

# Меняем шину 
exp.changeBus("/dev/i2c-3")

Ссылки:

• Trema модуль - Расширитель выводов, I2C-flash.
• Wiki - Расширитель выводов, I2C (Metro-модуль) - Datasheet (аналог модуля).
• Библиотека pyiArduinoI2Cexpander.
• Wiki - Установка библиотек Python