10 Dinge die Sie vor dem Start eines Raspberry-Pi-Projekts wissen müssen

Zur Verfügung gestellt von Digi-Key's North American Editors

Der Raspberry Pi steht im Mittelpunkt einer Revolution, die die Leistungsfähigkeit eines PCs durch Bereitstellung einer benutzerfreundlichen Plattform und eines umfangreichen Support-Ökosystems in die Hände der Massen gegeben hat. So intuitiv und benutzerfreundlich die Plattform auch sein mag, sowohl Ingenieure als auch Anfänger können von einigen Tipps derer profitieren, die bereits den Pi benutzt haben.

Die folgenden 10 Tipps können natürlich nicht alle Themenbereiche umfassen oder alle Fragen beantworten - dafür gibt es einen ständigen Support der Online-Community. Es handelt sich hierbei um einige wertvolle Tipps, die in keinem Lehrbuch oder Tutorial stehen und aus hart erworbener Erfahrung resultieren. Sie enthalten Ratschläge und Tipps zur Wahl und Formatierung von SD-Karten, zur Wahl eines Netzteils für den Raspberry Pi, zur Wahl des richtigen WLAN-Dongles, Programmiertipps, zur Vorgehensweise beim Einfrieren des Systems und zur Vermeidung einer Beschädigung der Platine durch Wahl der richtigen Stromversorgung.

Ein schnelles Blättern durch diese kurzen Tipps bereitet Sie auf unterhaltsame Weise auf die erste Begegnung mit dem Raspberry Pi vor und bringt Ihnen die Leistungsfähigkeit von Einplatinencomputern im Allgemeinen nahe.

1: Wann und wo kann der Raspberry Pi eingesetzt werden

Der Preis, die Leistung und die Support-Community hinter dem Raspberry Pi machen es wirklich schwer, ihn nicht für jede erdenkliche Aufgabe zu nutzen. Er ist im Grunde ein Personalcomputer. Nehmen Sie beispielsweise den Raspberry Pi 3 Modell B der Raspberry Pi Foundation. Er basiert auf einem ARM®-Cortex®-A53 mit einer Taktfrequenz von bis zu 1,2 GHz. Dazu kommen 1 Gigabyte RAM, WLAN 802.11n, Bluetooth 4.1 und Bluetooth Low Energy, 4 USB-Anschlüsse, 40 GPIO-Pins, ein Full-HDMI-Anschluss, Ethernet, eine 3,5mm-Audiobuchse sowie Schnittstellen für eine Kamera und eine Anzeige.

Bild des Raspberry Pi 3 Modell B

Abbildung 1: Der Raspberry Pi 3 Modell B der Raspberry Pi Foundation basiert auf einem ARM-Cortex-A53 mit einer Taktfrequenz von bis zu 1,2 GHz, mit 1 Gigabyte Arbeitsspeicher und WLAN 802.11n. (Bildquelle: Raspberry Pi Foundation)

Er kann – vom Lesen eines Temperatursensors und der Steuerung eines mechatronischen Systems aus Motoren und Kolben bis zu einem kompletten PC – fast alles. Interessante Projekte sind u. a. Videobearbeitung, Roboter und 3D-Drucker-Fernsteuerung.

2: Der Einstieg mit einem Raspberry Pi

Auf dem Raspberry Pi soll nicht Code auf der nackten Hardware, sondern ein richtiges Betriebssystem laufen. Das beliebteste Betriebssystem ist eine Spezialausgabe von Linux mit dem Namen Raspbian (eine Verbindung von „Raspberry“ und „Debian“). Es können natürlich auch andere Betriebssysteme verwendet werden, aber halten Sie sich für den Anfang an Raspbian.

Als eigenständiger Computer benötigt der Raspberry Pi die üblichen Peripheriegeräte wie Maus, Tastatur, SD-Karte (Klasse 10, mindestens 8 Gigabyte, z. B. die AP8GMCSH10U1-B von Apacer Memory America) und einen Monitor.

Zum Kopieren eines Pi-Image von einem anderen Computer auf eine SD-Karte wird ein externer SD-Kartenleser benötigt. Sobald das Image auf die SD-Karte kopiert ist, kann alles weitere auf dem Pi erledigt werden. Ein empfehlenswertes SD-Karten-Lesegerät für nahezu alle verbreiteten Speicherkartenformate ist das USB-2.0-Lesegerät DA-70310-2 von Assmann WSW Components.

Zur Formatierung der SD-Karte folgen Sie dem Link auf der Raspberry-Pi-Webseite. Sie erhalten dort die Formatierungssoftware für SD-Karten der SD Association. Verwenden Sie nur erprobte Software, wenn Sie NOOBS auf einer SD-Karte installieren. Als Alternative können Sie eine SD-Karte mit vorinstalliertem NOOBS kaufen, z. B. die Raspberry Pi NOOBS 16 Gigabyte-Karte. 

Wenn Sie sich für eine kabellose Tastatur und Maus entscheiden, z. B. für die 1738 von Adafruit, sparen Sie USB-Anschlüsse ein und vermeiden Kabelsalat. Sie können auch einen USB-2.0-Hub mit Stromversorgung verwenden, z. B. den U22-004-RA mit 4 Anschlüssen von Tripp Lite. Dieser Hub mit Stromversorgung mit 4 Anschlüssen wird sogar empfohlen, da er die Stromversorgung des Pi entlastet.

Es ist möglich, auf Maus, Tastatur und Monitor zu verzichten, wenn eine Verbindung mit dem Pi über SSH aufgebaut oder wenn er mit einem Touchscreen verwendet werden soll (siehe Tipp 9).

Wenn Ihr Monitor keinen HDMI-Eingang hat, benötigen Sie noch einen Adapter zwischen dem HDMI-Anschluss auf dem Pi und dem Monitoreingang. Wenn Sie z. B. einen Monitor mit DVI-D-Anschluss an einen HDMI-Ausgang anschließen möchten, verwenden Sie den 741-20010-00300 von CnC Tech (Abbildung 2).

Bild: männlicher 19-Pin-HDMI-an-DVI-D-Adapter 741-20010-00300 von CnC Tech

Abbildung 2: Ein Adapter wie der männliche 19-Pin-HDMI-an-DVI-D-Adapter 741-20010-00300 von CnC Tech ist u. U. zum Anschluss eines Monitors an den HDMI-Ausgang des Raspberry erforderlich. (Bildquelle: CnC Tech)

Später, sobald der Pi in ein System oder Projekt eingebettet ist, ist diese Peripherie meist nicht mehr nötig.

3: Das richtige Netzteil

Schließen Sie den Raspberry Pi nicht an den USB-Anschluss eines Computers als Stromversorgung an, da dieser nicht über die erforderlichen Reserven zur Vermeidung vom Stromversorgungsproblemen verfügt, die zu einer Beschädigung der SD-Karte, einem Einfrieren des Pi und anderen sporadischen Problemen führen können. Ein 2A-Netzteil reicht im Allgemeinen aus, aber für den Pi 3 wird ein 2,5A-Netzteil empfohlen.

Viele Netzteile mit höherer Leistung verfügen über einen männlichen Hohlstecker als Ausgang. Mit dem Buchse-an-Mikro-USB-A-Kabeladapter 2727 von Adafruit können Sie jedes 5V-Netzteil mit 5,5 x 2,1 mm Hohlstecker mit positivem Innenleiter an den Raspberry Pi 3 anschließen (Abbildung 3).

Bild: Buchse-an-Mikro-USB-A-Kabeladapter 2727 von Adafruit

Abbildung 3: Kombinieren Sie zur Versorgung des Raspberry Pi mit 2,5 A den Buchse-an-Mikro-USB-A-Kabeladapter 2727 von Adafruit mit einem beliebigen 5V-Netzteil mit 5,5 x 2,1 mm Hohlstecker mit positivem Innenleiter. (Bildquelle: Adafruit)

Der Raspberry Pi benötigt nicht den gesamten Strom für sich. Der Zweck einer Stromversorgung mit Reserven ist, dass ein Absinken der Eingangsspannung vermieden wird, wenn andere Elektronik oder Zubehör an die Platine angeschlossen werden. Es folgen Angaben zum allgemeinen Stromverbrauch unter Berücksichtigung dieser Tatsache.

Je nach Modell zieht ein Raspberry Pi im Leerlauf etwa 100 mA bis 300 mA. Jedes höhere Modell des Pi zieht jeweils mehr Strom (Abbildung 4). Wenn die Anwendung einen extrem niedrigen Energieverbrauch verlangt, berücksichtigen Sie dies bei der Auswahl des Raspberry-Pi-Modells.

Pi1 (B+) Pi2 B Pi3 B (A) Zero (A)
Boot Max. 0,26 0,40 0,75 0,20
Mittel 0,22 0,22 0,35 0,15
Leerlauf Mittel 0,20 0,22 0,30 0,10
Videowiedergabe (H.264) Max. 0,30 0,36 0,55 0,23
Mittel 0,22 0,28 0,33 0,16
Belastung Max. 0,35 0,82 1,34 0,35
Mittel 0,32 0,75 0,85 0,23

Abbildung 4: Vergleich des Stromverbrauchs einiger verbreiteter Raspberry-Pi-Modelle. (Bildquelle: Raspberry Pi Foundation)

Wenn Sie den Pi als Mobilgerät nutzen möchten, beachten Sie, dass sich die meisten portablen USB-Powerbanks aufgrund ihrer internen Schaltung nicht einschalten. Besorgen Sie sich den 4000mAh-Akku 1565 oder den 10.000mAh-Akku 1566 von Adafruit. Diese Modelle funktionieren sicher mit dem Pi.

4: Besorgen Sie sich ein USB-Kabel mit Schalter oder stellen Sie sich selbst eines her

Auf der Raspberry-Pi-Platine gibt es keinen Resetknopf oder Ein-/Ausschalter. Wenn Sie das Abziehen und Einstecken des USB-Kabels vermeiden möchten, wenn das Board einfriert und neu gestartet werden muss, besorgen Sie sich ein USB-Kabel mit Schalter, z. B. das 2379 von Adafruit. Die Nützlichkeit eines derartigen Kabels ist das Ergebnis eines Lernprozesses beim Experimentieren.  Es ist unvermeidlich, dass bei Anfängern am Anfang der Lernkurve das System öfter hängt. Es ist einfacher, einen Knopf zu drücken, als mit Kabeln und Steckern zu hantieren. Es vermeidet Ärger und eine unnötige Abnutzung des USB-Anschlusses.

Eine Warnung: Schalten Sie den Raspberry Pi unter normalen Umständen nicht gewohnheitsmäßig mit dem Schalter aus. Wenn Sie einfach den Strom abschalten, kann die SD-Karte beschädigt werden. Fahren Sie den Pi also immer ordnungsgemäß herunter (siehe „Wo ist der Ein-/Aus-Schalter“).

5: Der Schlüssel zum Erfolg: die Raspberry-Pi-Zusatzplatinen

Raspberry Pi ist ein leistungsfähiger Einplatinencomputer, aber kein Einplatinencomputer hat alles. Glücklicherweise gibt es eine Vielzahl von einsatzbereiten Zusatzplatinen, die die Fähigkeiten des Pi erweitern.

Beispielsweise verfügt der Raspberry Pi über keine Analog/Digital-Wandler (ADCs) zur Datenerfassung, aber es gibt mehrere Wandlerlösungen. Eine gute Lösung ist die speziell für diesen Zweck entwickelte Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandlerplatine (ADC, DAC) 103990060 von Seeed Technology (Abbildung 5).

Bild der Erweiterungsplatine 103990060 für den Raspberry Pi von Seeed Technology

Abbildung 5: Die Erweiterungsplatine 103990060 für den Raspberry Pi von Seeed Technology stellt die Funktionalität eines 8-Bit-ADC und -DAC für den Raspberry Pi zur Verfügung. (Bildquelle: Seeed Technology)

Eine andere Methode, einen RasPi mit einem ADC-Eingang auszustatten, besteht darin, die Aufgabe auf eine kleine Arduino-Platine, z. B. die 3,3V-Platine Trinket von Adafruit, auszulagern.

Lesen Sie dazu zuerst „10 Dinge die Sie vor dem Start eines Arduino-Projekts wissen müssen“, und programmieren Sie dann die Platine mit einem einfachen Sketch für die Erfassung der analogen Daten. Die Daten werden über eine serielle Verbindung an den Pi zurückgeführt.

Genauer gesagt, es gibt Arduino-Platinen, die speziell für den Betrieb mit dem Raspberry Pi hergestellt wurden, z. B. die Erweiterungsmodule AlaMode von Seeed und DFR0327 von DFRobot.

Für Aufgaben, die in Echtzeit ausgeführt werden müssen, wird definitiv eine Zusatzplatine benötigt, da Raspbian dazu nicht in der Lage ist. Raspbian/Linux teilt die CPU-Zeit auf und weist sie nach Bedarf Anwendungen, dem Python-Code und Raspbian selbst zu. Wegen der Unvorhersagbarkeit dieser gemischten Ressourcenverteilung ist eine Ausführung in Echtzeit unmöglich.

6: WLAN-Dongles

Die einfachste Installationsmethode für Updates und Apps auf einem Pi ist eine Internetverbindung über WLAN, das praktischerweise im Raspberry Pi 3 eingebaut ist (802.11n). Andere Versionen des Raspberry Pi haben leider kein WLAN. Dann wäre der Kauf eines WLAN-Dongles erforderlich. Recherchieren Sie aber in diesem Fall vor dem Kauf, um sicher zu sein, dass es von Raspbian erkannt wird. Ein Dongle für den Raspberry Pi mit gutem Ruf ist das Miniatur-802.11/b/g/n-Modul 814 von Adafruit (Abbildung 6).

Bild: USB-Adapter 814 von Adafruit

Abbildung 6: Wenn die vorliegende Raspberry-Pi-Platine kein eingebautes WLAN hat, suchen Sie nach einem Dongle wie dem USB-Adapter 814 von Adafruit, der unter Raspbian funktioniert. (Bildquelle: Adafruit)

7: Achten Sie auf die Ausgangs-Logikpegel und die Ansteuerungsmöglichkeiten

Beim Raspberry Pi werden 3,3V-Logikpegel verwendet. Dies ist ein kleines, aber wichtiges Detail, das oft übersehen wird. Ein Logikpegel von 3,3 V bedeutet, dass viele verfügbare Zusatzgeräte, die einen Logikpegel von 5 Volt benötigen, möglicherweise nicht funktionieren. Auch beträgt die Ansteuerungsstromstärke 16 mA an jedem Pin, vorausgesetzt, die Gesamtstromsträrke überschreitet nicht den Wert von ca. 50 mA. Dieses Problem lässt sich leicht mit einem Logikpegel-Wandler wie dem bidirektionalen Wandler BOB-12009 von SparkFun beheben.

Bild: BOB-12009 von SparkFun

Abbildung 7: Der BOB-12009 von SparkFun wandelt 5V-Signale in die vom Raspberry Pi benötigten 3,3 V um. (Bildquelle: SparkFun)

8: Die Programmiersprache Python

Python ist die Standard-Programmiersprache für Raspbian. Im Raspbian-Image ist die Python-Entwicklungsumgebung IDLE (Integrated Development and Learning Environment) bereits vorinstalliert. Die Arbeit mit Python ist für die meisten Pi-Projekte unumgänglich. 

Unter Raspbian besteht die Möglichkeit, entweder IDLE 2 zur Ausführung von Python 2 oder IDLE 3 zur Ausführung von Python 3 zu verwenden. Wenn Sie IDLE 3/Python 3 verwenden, sind Sie auf dem neuesten Stand und erhalten die neueste Dokumentation.

Beachten Sie, dass Python-2-Code nicht mit Python-3-Code austauschbar ist. Da Python-2-Code weitverbreitet ist, ist es verlockend, von Python 3 zu Python 2 zurückzugehen, aber es bestehen mehrere Unterschiede in der Syntax und bei Bezeichnungskonventionen, durch die die beiden Versionen zueinander inkompatibel sind. Falls Sie sich für Python 2 entscheiden, besteht die Möglichkeit, den Code durchzugehen und die erforderlichen Änderungen zur Umwandlung von Python-2-Code in Python-3-Code und umgekehrt vorzunehmen.

Am einfachsten lässt sich eine maßgeschneiderte Benutzeroberfläche für Python-Programme mit dem in Raspbian vorinstallierten Tool-Set TkInter erstellen. Es sind viele kurze Tutorials für TkInter online, die einen schnellen Einstieg ermöglichen.

Für Programmieranfänger empfiehlt es sich, das Projekt in einzelne Bausteine zu zerlegen. Nehmen wir z. B. ein Projekt, in dem auf ein LCD-Display ausgegeben wird, Daten über einen über SPI angeschlossenen Sensor eingelesen werden und Benutzereingaben über drei Tasten entgegengenommen werden. Schreiben Sie für jede Aufgabe ein eigenes Stück Code. Wenn Sie alles zusammenschreiben, könnten Sie Fehler machen und die Fehlersuche erschweren.

9: Bildschirmgröße

Benutzen Sie beim Programmieren einen großen Bildschirm und kein kleines auf dem Pi angebrachtes 3 Zoll-Display, da dieses schwer zu lesen ist. Dieses ist zwar als spezifische Schnittstelle für ein Projekt geeignet, aber ein richtiger Monitor oder mindestens ein 7-Zoll-Touchscreen wie der LCD-Touchscreen 8997466 der Raspberry Pi Foundation ist vorzuziehen (Abbildung 8). Je nach eingesetztem Raspberry-Pi-Modell wird dieses Display möglicherweise nicht automatisch am DSI-Anschluss erkannt. Die Vorgehensweise, falls der Bildschirm bei einem Pi-Modell manuell aktiviert werden muss, ist auf Github dokumentiert.

Bild: LCD-Touchscreen 8997466 der Raspberry Pi Foundation

Abbildung 8: Verwenden Sie kein 3-Zoll-Display, da dieses schwer zu lesen ist. Entscheiden Sie sich stattdessen für einen richtigen Monitor oder für den 7-Zoll-LCD-Bildschirm 8997466 der Raspberry Pi Foundation. (Bildquelle: Raspberry Pi Foundation)

Allerdings ist ein großer Monitor vorzuziehen. Auch ist ein Display, das am DSI- oder HDMI-Anschluss angeschlossen ist, viel schneller als ein Display, das am GPIO-Port (General-purpose I/O port) angeschlossen ist.

10: Schnelle Tipps und Problemlösungen

  • Es ist verlockend, eine SD-Karte mit mehr als 32 GB Speicherplatz zu verwenden. Formatieren Sie diese dann unbedingt mit dem Dateisystem FAT32. Der Raspberry Pi kann nur FAT32-Dateisysteme lesen.
  • Stellen Sie sicher, dass die SD-Karte garantiert mit dem Raspberry Pi kompatibel ist.
  • Wenn Sie an der Befehlszeile festhängen, starten Sie die grafische Benutzeroberfläche mit dem Befehl „sudo start x“.
  • Die GPIO-Pins sind beim Raspberry Pi nicht markiert. Besorgen Sie sich eine Referenz, z. B. diese GPIO-Referenz von Seeed.

Bild: Referenz für die GPIO-Pins des Raspberry Pi        

Abbildung 9: Ermitteln Sie die GPIO-Pins des Raspberry Pi mit einer praktischen Referenz. (Bildquelle: Seeed Technology)

  • Schließen Sie keine Stromversorgung an die GPIO-Pins an. Es ist zwar möglich, aber dadurch wird die Sicherung auf der Platine überbrückt. Die Sicherung stellt sich selbsttätig zurück und kann bei Bedarf ausgetauscht werden. Wenn Strom durch die GPIO-Pins geleitet wird und es dann knistert, ist der Pi wahrscheinlich zerstört.

Bild: Abbildung der selbstrückstellenden Sicherung auf der Raspberry-Pi-3-Platine von Seeed Technology

Abbildung 10: Die selbstrückstellende Sicherung auf der Platine des Raspberry Pi 3 (roter Pfeil) wird umgangen, wenn das Gerät über die GPIO-Pins mit Strom versorgt wird. Dies ist für die Platine gefährlich. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Wenn Sie mit einem Raspberry Pi entwickeln, legen Sie Sicherheitskopien von allen Dateien an. Wahrscheinlich ist das Image auf der SD-Karte eines Tages unbrauchbar, sodass die Daten nicht mehr wiederhergestellt werden können. Vermeiden Sie dieses Risiko, indem Sie einen USB-Stick, z. B. den 16-GB-USB-Stick APHA016G2BACG-DTM von Apacer als Dateiarchiv verwenden.

Bild: USB-Laufwerk von Apacer Memory America

Abbildung 11: Das Sichern von Dateien auf einem USB-Laufwerk schützt diese, wenn das Dateisystem des Raspberry Pi beschädigt ist. (Bildquelle: Apacer Memory America)

Fazit

Die Leistungsfähigkeit, Benutzerfreundlichkeit und gute Unterstützung des Raspberry Pi ist bekannt. Er stellt eine ausgezeichnete Grundlage für eine professionelle Anwendung oder ein Hobby-Projekt dar. Diese Tipps verkürzen unabhängig von Hintergrund und Kenntnissen die Lernkurve und machen den Lernprozess produktiver.

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