3探索Raspberry Pi

本章將涉及以下主題：

• 探索 Raspberry Pi 的功能
• 選擇連接
• 什麼是 Raspberry Pi OS？
• 為Raspberry Pi OS 準備 SD 卡

3.1 探索Raspberry Pi的功能

控制器將決定機器人的輸入和輸出類型、電子設備的功率要求、可使用的感測器類型以及運行的代碼。更改控制器可能意味著重寫代碼、重新設計控制器的安裝位置以及更改電源要求。

Raspberry Pi 是一系列專為教育領域設計的小型電腦。它既是一臺完整的電腦，又有用於連接定製硬體的輸入/輸出引腳，因此深受創客（指喜歡製作機器人和小玩意兒等業餘愛好的人）的喜愛。與標準計算設備相比，微控制器的成本相對低廉，體積也較小，這些都有助於實現這一目標。所有型號的 Raspberry Pi 都具有連接攝像頭、顯示器和鍵盤以及網路的功能。

3.1.1 速度和功能

Raspberry Pi 的功能強大，足以處理一些視覺處理任務，如面部識別和跟蹤物體，後期型號的 Raspberry Pi 可以更快地完成這些任務。語音識別任務也是如此。因此，推薦使用速度更快的 4B、3B+ 和 3A+ 型號。Pico、Zero 和 Zero W 型號要慢得多，雖然系統仍能運行，但速度可能會令人沮喪。

Raspberry Pi 是一種單板電腦（SBC Single-Board Computer），其功能強大到足以運行完整的電腦操作系統，特別是 Linux 版本。

一些可用作控制器的替代 SBC 運行 Linux，如 BeagleBone、CHIP、OnionIoT 和 Gumstix Linux 電腦，但這些電腦要麼比 Raspberry Pi 昂貴，要麼功能較弱。只有部分產品集成了攝像頭。雖然 BeagleBone 的模擬 IO 連接性更出色，但 Raspberry Pi 3A+ 更像是一個全能型產品，有許多擴展選項。

3.1.2 連接和網路

Raspberry Pi 3A+ 還配有 USB 埠和 HDMI 埠。我們不打算在本書中使用它們，不過如果出現問題，與機器人失去聯繫，它們在調試時還是很方便的。有鑒於此，我們建議配備額外的屏幕和鍵盤。

Raspberry Pi 4、3 和 Zero W 系列都板載了 Wi-Fi 和藍牙。在本書中，我們將一直使用 Wi-Fi 與機器人連接，因此推薦使用具有 Wi-Fi 功能的機型。Wi-Fi 可用於對機器人進行編程、驅動和啟動代碼運行。

Raspberry Pi 有 I/O 引腳，可以連接到感測器。在 Raspberry Pi 3A+ 中，通用輸入/輸出 (GPIO General Purpose Input/Output) 連接已經焊接到位，可以隨時使用。Raspberry Pi Zero 和 Zero W 型號沒有連接針座。第一代 Raspberry Pi 電路板的 I/O 連接器也不盡相同。這些原因使得 3 和 4 系列 Raspberry Pi 成為最佳選擇。

選擇 Raspberry Pi 3A+ 或Raspberry Pi 4B

以下功能列表可以滿足我們的所有需求：

• 輸入/輸出
• 攝像頭介面
• 可進行視覺和語音處理
• 板載 Wi-Fi 和藍牙
• 運行 Python 代碼
• 預焊接接頭，可連接機器人設備
• 體積小，價格相對便宜

除此之外，3A+ 還配備了基於 ARM 的四核 CPU，主頻為 1.4 GHz，足以滿足我們的使用要求。以後的 Raspberry Pi 版本可能會以更快的處理速度和更多的功能取代該型號。

3.2 選擇連接

在製作機器人時，我們將使用 Raspberry Pi 提供的部分連接。讓我們來看看這些連接是什麼，以及我們將如何使用它們。。

高亮區域表示使用中的連接：

首先，我們將使用電源介面，標記為電源輸入，位於圖的左下方。它通過微型USB(4B為tpye-c)介面插入，與許多手機上的介面類似。我們可以將 USB 電池組插入這個埠，只要它們能提供適當的電量。

中下部突出顯示的埠是攝像頭（攝像頭串列介面 (CSI)）埠；這是用於Pi攝像頭的埠，我們將在準備進行視覺處理時連接攝像頭。

我們將使用Raspberry Pi下方的Micro SD卡插槽來運行代碼。我們將不使用乙太網或 HDMI，因為我們將通過 Wi-Fi與Raspberry Pi通信。

The Raspberry Pi GPIO port (B+, 2, 3, 3B+, Zero, and Zero W)

外部設備可以連接到SPI、I2C、串列和I2S數據匯流排或數字I/O引腳。

3.2.1 電源引腳

5V和3.3V引腳以及標有GND的引腳用於供電。GND是接地的縮寫，相當於電池或電源的負極。5V引腳可用於從電池為Pi供電。5V和3.3V可用於為小型電子設備或感測器供電。

3.2.1.1 數據匯流排

SPI、I2C 和串列匯流排用於在控制器和智能設備之間發送控制和感測器數據。I2S用於在Raspberry Pi之間傳輸編碼數字音頻信號（PCM）。可以通過配置啟用這些數據匯流排的埠，或者在數據匯流排關閉時將這些引腳用作普通數字引腳。

標有SDA和SCL的引腳是I2C數據匯流排。我們將其用於感測器和電機控制板。指令通過該埠發送。

引腳9、10和11組成SPI埠，我們用它來驅動RGB LED。

雖然Raspberry Pi上有一個音頻埠，但它並不適合驅動揚聲器，因此我們將使用 GPIO 埠上的I2S引腳來驅動揚聲器。I2S引腳為 18、19、20 和 21。由於它們也有用於音頻輸入的引腳，因此我們將其用於語音處理。

3.2.1.2 通用IO

其他沒有特定字或陰影類型編號的引腳是通用I/O引腳。通用I/O引腳用於伺服電機、編碼器和超聲波感測器的數字輸入和輸出。

3.2.1 Raspberry Pi HAT

Raspberry Pi HAT（也稱為 Bonnets）是設計用於插入 GPIO 針座的電路板，可方便地將Raspberry Pi連接到電機或感測器等設備。

有些電路板通過GPIO引腳連接更多電路板/連接裝置來使用這些引腳，有些則需要擴展電路板來訪問這些引腳。

HAT將GPIO引腳用於不同的用途；例如，音頻HAT將I2S引腳用於音頻介面，但有些電機控制器 HAT 使用相同的引腳來控制電機。同時使用這些HAT可能會出現問題，因此在使用多個HAT或特定匯流排時要註意這一點。

參考資料

• 軟體測試精品書籍文檔下載持續更新 https://github.com/china-testing/python-testing-examples 請點贊，謝謝！
• 本文涉及的python測試開發庫 謝謝點贊！ https://github.com/china-testing/python_cn_resouce
• python精品書籍下載 https://github.com/china-testing/python_cn_resouce/blob/main/python_good_books.md
• Linux精品書籍下載 https://www.cnblogs.com/testing-/p/17438558.html
• Raspberry Pi(樹莓派4B)4輕鬆入門(上)-安裝 https://www.cnblogs.com/testing-/p/17604049.html
• Raspberry Pi 基金會安裝 Raspberry Pi 操作系統指南：https://www.raspberrypi.org/documentation/installation/installing-images/README.md。
• 《Internet of Things with Raspberry Pi 3, Maneesh Rao, Packt Publishing》

3.3 什麼是 Raspberry Pi OS？

Raspberry Pi OS是我們用來驅動Raspberry Pi的軟體，是我們的代碼將在其中運行的操作系統。它是Raspberry Pi基金會的官方操作系統，附帶的軟體可使Raspberry Pi的工作更輕鬆。Raspberry Pi OS可以支持完整的桌面，也可以支持最小的命令行和純網路系統。

Raspberry Pi 操作系統基於 Debian Linux 發行版。Debian是一個軟體集合，可以一起運行，提供大量功能和多種可能性。這樣的Linux發行版是許多互聯網伺服器、手機和其他設備的基礎。該操作系統的軟體專為Raspberry Pi硬體進行了優化，即內核和驅動程式。它還有一些巧妙的方法來配置Raspberry Pi用戶可能需要的專門功能。

我們將以比台式機更簡約的方式使用它，放棄對鍵盤、滑鼠和顯示器的支持。這個最小版本被稱為Raspberry Pi OS Lite，因為當不需要桌面軟體時，它的下載量要小得多，而且占用的micro SD卡空間也更小。不運行視窗管理器可以釋放記憶體，減少對Raspberry Pi處理能力的使用，使其能夠用於視覺處理等活動。我們將使用用於機器人編程的軟體和工具來擴展Raspberry Pi OS Lite。

在本書的學習過程中，你將主要通過代碼和命令行與機器人進行交互。Linux和Raspberry Pi OS在編寫時考慮到了通過網路使用命令行，這非常適合機器人編程的無頭特性。

我們使用Linux對Python編程語言的強大支持以及Linux提供的網路工具。Raspberry Pi OS在 Raspberry Pi社區被廣泛使用，在需要幫助時也最容易找到答案。它不是 Raspberry Pi的唯一操作系統，但對於剛開始使用Raspberry Pi的人來說，它是最有用的選擇。

準備 SD 卡

要在Raspberry Pi上使用Raspberry Pi OS，需要將軟體以Raspberry Pi可以載入的方式放入微型SD卡中。

Raspberry Pi開發了Raspberry Pi Imager，用於將軟體放到SD卡上。讓我們下載它併在卡上獲得正確的映像：

訪問raspberrypi.org/software上的 Raspberry Pi軟體下載頁面，為你的電腦選擇下載按鈕，如下圖所示：

將微型SD卡裝入讀卡器，插入筆記本電腦的埠。

選擇 Raspberry Pi OS（其他）。由於我們要儘量簡化操作，因此請從該菜單中選擇 Raspberry Pi OS Lite（32 位）。

現在準備寫入。單擊 "寫入 "按鈕：

系統會問你是否確定，點擊 "是 "繼續。下載和寫入圖像需要一些時間。