Raspberry Pi Pico WとC/C++でLEDを点灯・消灯させてみよう。

Raspberry Pi Pico Wの汎用入出力（GPIO）に接続したLEDを、C/C++を使って点灯・消灯させます。

実験準備

実験に必要な機器と部品を準備します。

機器

「Raspberry Pi Pico WとC/C++を始めよう。」記事で書きましたラズパイPicoWと、Visual Studio Code（以下　VSCode）をインストールしたRaspberry Pi5を準備します。

部品

LED（発光ダイオード）、固定抵抗など実験に使う部品を準備します。

機器／部品の実装とプログラミング

準備した機器と部品を実際につなぎ、C/C++でプログラミングを行いLEDを点灯・消灯させます。

配線

ブレッドボードを使って「赤いLED」、「抵抗」などをジャンパーワイヤでつなぎます。

サンプルファイルの購入

「STORES」からサンプルファイルの「7_c_cpp-digout.zip」をダウンロードします。

サンプルファイルのライセンス及びダウンロードと解凍方法については、こちらを参考にしてください。

サンプルファイルの読み込み

Raspberry Pi5のVSCodeを起動し、解凍したサンプルファイルが入っているフォルダ（gpio_blink）を読み込みます。

VSCodeのメニューから「ファイル」を選択し、ドロップダウンリストから「フォルダを開く…」を選択します。

「フォルダを開く」ダイアログが表示されますので、ダウンロードした「7_c_cpp-digout」フォルダにある「gpio_bilnk」フォルダを選択して開くをクリックします。

「このフォルダー内の・・・」ダイアログが表示されますので、「親フォルダー　’7_c_cpp-digout’・・・」に✔を入れ、「はい、作成者を信頼します」をクリックします。

処理がはじまります。（数十秒ほどかかります。）

左側のエクスプローラー・サイドバーから、「gpio_bilnk.c」を選択すると、編集エリアにソースの内容が表示されます。

【gpio_bilnk.cの一部抜粋】

//picoの標準ライブラリを組込
#include "pico/stdlib.h"

//標準関数のヘッダ関数を組込
#include <stdio.h>

//GPIOピン定義
#define LED_PIN 28

//LED点滅の間隔
#define LED_INTERVAL 500


//インターバルタイマ　コールバック処理
bool timer_callback(repeating_timer_t *t)
{
    //LED点滅処理
    if ( gpio_get(LED_PIN) != 0)
    {
        //LED消灯
･･･
･･･
}


//メイン処理
int main() {

･･･
･･･

プログラムの実行

Raspberry Pi Pico Wに接続されているUSBケーブルを外し、「BOOTSEL」ボタンを押しながら、USBケーブルを差し込みます。

VSCodeの「F5」キーを押して実行すると、途中、Temporary breakpointsで一時停止しますので、もう一度、「F5」キーを押して続行します。


LEDが500ms間隔で点滅します。

パネルエリアで「シリアルモニター」を選択し、ポートを /dev/ttyACM0 – Raspberry Piに設定します。

ボーレートを115200に設定し、「監視の開始」をクリックすると、「LED ON」と「LED OFF」が500ms間隔で表示されます。

確認後、「Shift + F5」キーを押して、停止します。

回路の説明

ブレッドボードの配線を回路図に表すと次にようになります。

接続について

• 抵抗（R1）に接続されているGPピン28（34ピン）は、プログラムの設定でディジタル信号（HighまたはLow）の入力または出力を行います。（今回の実験ではLEDを点灯・消灯させますので出力として設定します。）
  
  
• 抵抗（R1）は、LEDに大きな電流が流れて壊れることを防ぐための電流制限抵抗です。
  
  
• LEDはアノードに電源のプラス側を、カソードにマイナス側を接続して電圧を加えると、アノードからカソードに向かって電流が流れ点灯しますので、アノード側に抵抗（R1）を接続し、カソード側をGND（38ピン）に接続します。

電気的特性と設定値

出力状態としてのGPピン28とLED（OSR5JA3Z74A同等品）の電気的特性から、電流制限抵抗（R1）の値を計算・設定します。

▶️出力状態としてのGPピン28の電気的特性

▶️LED（OSR5JA3Z74A同等品）の電気的特性

▶️電流制限抵抗（R1）値の計算・設定

電流制限抵抗「R1」にかかる電圧「VR」は、GPピン28のHighレベルの出力電圧「VoH」からLEDの順方向電圧「VF」を引いた値になります。

$$VR= {VoH}-{VF}={3.3V}-{2.1V}={1.2V}$$

LEDに電気的特性ではる順方向電流「IF」は20mAですが、GPピン28のHighレベルの出力電流は4mAですので、実際の「IF」は4mAとなります。

電流制限抵抗「R1」に流れる電流は、LEDに流れる順方向電流「IF」と等しいので、オームの法則より電流制限抵抗「R1」を計算します。

$$R1= \frac {\ VR}{IF}= \frac {\ 1.2V}{4mA}= \frac {\ 1.2V}{0.004A}={300Ω}$$

市販の抵抗はE系列という等比数列になっていますので、ここでは、安全のため計算値より大きい330Ωの抵抗に設定し、LEDに流れる順方向電流「IF」を計算し、GPピン28のHighレベルの出力電流の4mAを超えていないことを確認します。

$$IF= \frac {\ VR}{R1}= \frac {\ 1.2V}{330Ω}= {0.0036A}={3.6mA}<4mA$$

電流制限抵抗の計算の詳細については、「こちら」を参考にしてください。

プログラムの説明

VSCodeを起動し、「gpio_bilnk」フォルダを読み込み、「gpio_bilnk.c」の内容を編集エリアに表示させます。

プログラム全体の流れ

「LED点滅」プログラムは次の処理を行います。

コメント

コメントはプログラムの処理に関係ないメモ書きです。

C言語では、「/*これはコメントです*/」のように、/**/で挟むことで、その間をコメントにすることができます。

C++言語ではこれに加え、「//これはコメントです」のように、文の最初に//が付けられた文は、その行の末尾（改行）まで「コメント」とみなします。

VSCodeは両方のコメントを使うことができます。

主に、書かれたコードを読みやすくする目的で、プログラム処理のはじめや終わりに、その部分がどのような処理をしているのかを書いたりします。

ヘッダファイルの組み込み（インクルード）

プログラムを再利用するための仕組みの一つとして、「ヘッダファイル」という仕組みがC/C++には備わっています。

ヘッダファイルには、変数や関数の宣言や定義のみが書いてあります。

ヘッダファイルを組み込むことで、それに対応するプログラムが記述されたファイル（ソースファイル）を利用することができます。

▶️ヘッダファイルの組み込み方法

ヘッダファイルの組み込みはインクルードと呼ばれ、「#include」により実行されます。

「#」からはじまる1行分はマクロと呼ばれ、コンパイルの前に処理されます。

GPIOピン番号を定義

プログラムの中でGPIOピンを使用する際、意味のない番号を指定するより、意味がわかる文字列を指定したほうが可読性が向上します。

「#define」により、文字列を番号（GPIOピン番号）に置換します。

LEDの点滅間隔を定義

プログラムの中でLEDの点滅間隔（ミリ秒）を使用する際、数値を指定するより、意味がわかる文字列を指定したほうが可読性が向上します。

「#define」により、文字列を数値（点滅間隔　ミリ秒）に置換します。

インターバルタイマ　コールバック処理

タイマーにより、一定間隔で割り込みが発生した時に、呼び出される関数で、LEDを点灯／消灯させます。

picoの入出力を初期化

LEDピンを初期化

LEDピンを出力ピンに設定

LEDを消灯

インターバルタイマ設定

まとめ

Raspberry Pi Pico WのGPIOピンにLEDを接続し、点灯／消灯を行いました。

LEDの接続の方法と、Raspberry Pi Pico WやLEDを壊さないために用いる、電流制限抵抗の計算方法を学びました。

ヘッダファイルを組み込み、LEDを周期的に点灯／消灯させるために必要な「gpio_set_dir」関数、「gpio_put」関数、タイマーの割り込み処理について学びました。

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