GPIO Introduction

GPIOIntroduction

พื้นฐาน GPIO (General Purpose Input/Output) สำหรับ K230

GPIO Pinout

แผนผังขา GPIO ของบอร์ด K230

GPIOคืออะไร

GPIO (General Purpose Input / Output) คือขาพินที่ใช้รับสัญญาณ (Input) หรือส่งสัญญาณ (Output) ระหว่างบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์กับอุปกรณ์ภายนอก

อุปกรณ์ที่นิยมใช้ร่วมกับ GPIO เช่น LED, ปุ่มกด, เซนเซอร์, รีเลย์, มอเตอร์ เป็นต้น

โหมดของ GPIO

INPUT

โหมด Input

ใช้รับสัญญาณจากภายนอก เช่น ปุ่มกด, เซนเซอร์

OUTPUT

โหมด Output

ใช้ส่งสัญญาณออก เช่น เปิด/ปิด LED, ขับมอเตอร์

GPIO Input (การรับข้อมูลแบบดิจิทัล)

Input คือการทำงานของขา GPIO ในโหมดรับข้อมูลจากอุปกรณ์ภายนอกเข้าสู่บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยข้อมูลที่รับเข้ามาจะอยู่ในรูปแบบ สัญญาณดิจิทัล (Digital Signal) ซึ่งสามารถมีค่าได้เพียง 2 สถานะ

HIGHลอจิก 1

มีแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ขา GPIO (โดยทั่วไปประมาณ 3.3V)

LOWลอจิก 0

ไม่มีแรงดันไฟฟ้า หรือแรงดันใกล้เคียง 0V

หมายเหตุ: เมื่อกำหนด GPIO ให้เป็นโหมด Input ขานั้นจะ ไม่จ่ายไฟออกไปยังภายนอก แต่จะทำหน้าที่ตรวจสอบและอ่านสถานะของแรงดันไฟฟ้าที่ถูกป้อนเข้ามาเท่านั้น

การรับสัญญาณ Input จากสวิตช์ (Switch)

หนึ่งในอุปกรณ์ที่นิยมใช้กับ GPIO Input มากที่สุดคือ สวิตช์หรือปุ่มกด (Push Button) ซึ่งทำหน้าที่เปิด–ปิดวงจรไฟฟ้า

หลักการทำงานของสวิตช์

ไม่กดสวิตช์ (Open Circuit)

วงจรจะอยู่ในสถานะเปิด ทำให้ขา GPIO อ่านค่าเป็น

LOW

กดสวิตช์ (Closed Circuit)

วงจรถูกปิด แรงดันไฟฟ้าจะถูกส่งเข้าสู่ขา GPIO ทำให้อ่านค่าเป็น

HIGH

วงจรพื้นฐานของ GPIO Input + สวิตช์

การต่อสวิตช์เข้ากับ GPIO จะต้องคำนึงถึงความเสถียรของสัญญาณ เนื่องจากหากไม่มีการกำหนดแรงดันอ้างอิง ขา GPIO อาจเกิดสถานะลอย (Floating) ทำให้ค่าที่อ่านได้ไม่แน่นอน

ดังนั้นจึงนิยมใช้ ตัวต้านทาน Pull-up หรือ Pull-down ร่วมกับสวิตช์

ตัวอย่างแนวคิด (Pull-up)

ขา GPIO จะถูกดึงให้เป็น HIGH ตลอดเวลา

เมื่อกดสวิตช์ ขา GPIO จะถูกดึงลงเป็น LOW

ตัวอย่างแนวคิด (Pull-down)

ขา GPIO จะถูกดึงให้เป็น LOW ตลอดเวลา

เมื่อกดสวิตช์ ขา GPIO จะถูกดึงขึ้นเป็น HIGH

สรุป

GPIO Input คือการรับข้อมูลแบบดิจิทัลจากอุปกรณ์ภายนอกเข้าสู่บอร์ด โดยสามารถรับค่าได้เพียง HIGH หรือ LOW เท่านั้น การใช้งานร่วมกับสวิตช์จำเป็นต้องออกแบบวงจรให้เหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาสัญญาณลอยและทำให้การอ่านค่าสถานะมีความแม่นยำ

ตัวอย่าง Pull-up ภายนอกสวิตช์

External Pull-up

ตัวอย่าง Pull-up ภายนอก

gpio_input.py

1# Source: https://github.com/apinuntong/CMM-K230/blob/main/gpio_input.py
2from machine import Pin
3from machine import FPIOA
4
5fpioa = FPIOA()
6fpioa.set_function(3, FPIOA.GPIO3)
7
8pin = Pin(3, Pin.IN, pull=Pin.PULL_NONE, drive=7)
9print("out = ", pin.value())

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

ยังไม่ได้กดปุ่ม

กดปุ่มแล้ว

ตัวอย่าง Pull-down ภายนอกสวิตช์

External Pull-down

ตัวอย่าง Pull-down ภายนอก

gpio_input_pulldown.py

1# Source: https://github.com/apinuntong/CMM-K230/blob/main/gpio_input.py
2from machine import Pin
3from machine import FPIOA
4fpioa = FPIOA()
5fpioa.set_function(3, FPIOA.GPIO3)
6pin = Pin(3, Pin.IN, pull=Pin.PULL_NONE, drive=7)
7print("out = ",pin.value())

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

ยังไม่ได้กดปุ่ม

กดปุ่มแล้ว

ตัวอย่าง Pull-up ภายในสวิตช์

Internal Pull-up

ตัวอย่าง Pull-up ภายใน

gpio_internal_pull-up_input.py

1# https://github.com/apinuntong/CMM-K230/blob/main/gpio_internal_pull-up_input.py
2from machine import Pin
3from machine import FPIOA
4fpioa = FPIOA()
5fpioa.set_function(3, FPIOA.GPIO3)
6pin = Pin(3, Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP, drive=7)
7print("out = ",pin.value())

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

ยังไม่ได้กดปุ่ม

กดปุ่มแล้ว

ตัวอย่าง Pull-down ภายในสวิตช์

Internal Pull-down

ตัวอย่าง Pull-down ภายใน

gpio_internal_pull-down_input.py

1# https://github.com/apinuntong/CMM-K230/blob/main/gpio_internal_pull-down_input.py
2from machine import Pin
3from machine import FPIOA
4fpioa = FPIOA()
5fpioa.set_function(3, FPIOA.GPIO3)
6pin = Pin(3, Pin.IN, pull=Pin.PULL_DOWN, drive=7)
7print("out = ",pin.value())

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

ยังไม่ได้กดปุ่ม

กดปุ่มแล้ว

สรุปการใช้งาน

การใช้งาน input สามารถใช้ขา 3, 4, 42, 43, 46, 47, 12, 11, 14, 15, 16, 17 ได้

ภายนอก

ใช้ตัวต้านทานภายนอก

✓ สัญญาณรบกวนน้อย

ภายใน

ใช้ตัวต้านทานภายในบอร์ด

✓ วงจรกระชับ

วงจรพื้นฐานของ GPIO Output + LED

GPIO Output คือโหมดการทำงานของขา GPIO ที่ใช้สำหรับส่งสัญญาณออกจากบอร์ดไปควบคุมอุปกรณ์ภายนอก โดยสัญญาณที่ส่งออกเป็นแบบดิจิทัลซึ่งมีได้เพียง 2 สถานะ

HIGH

ลอจิก 1

มีแรงดันไฟฟ้าออกจากขา GPIO (ประมาณ 3.3V)

LOW

ลอจิก 0

ไม่มีแรงดันไฟฟ้าออกจากขา GPIO (0V)

หนึ่งในอุปกรณ์พื้นฐานที่นิยมใช้ทดสอบ GPIO Output คือ LED (Light Emitting Diode)

หลักการทำงานของ LED กับ GPIO Output

LED เป็นอุปกรณ์ที่ยอมให้กระแสไฟไหลได้เพียงทิศทางเดียว และจะเปล่งแสงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในทิศทางที่ถูกต้อง

หาก GPIO ส่งค่า HIGH

มีกระแสไฟไหล → LED ติด

หาก GPIO ส่งค่า LOW

ไม่มีกระแสไฟไหล → LED ดับ

องค์ประกอบของวงจร

วงจร GPIO Output + LED พื้นฐานจะประกอบด้วย:

ขา GPIO ของบอร์ด

ทำหน้าที่จ่ายสัญญาณ HIGH / LOW

LED

อุปกรณ์แสดงผลที่ทำงานเมื่อมีกระแสไฟ

ตัวต้านทาน (Resistor)

จำกัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

GND (กราวด์)

จุดวงจรไฟฟ้าภาคพื้นดิน

ข้อควรระวัง: ตัวต้านทานเป็นอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องใช้เสมอ เพื่อจำกัดกระแสไฟ ไม่ให้ LED และขา GPIO เสียหาย

แนวคิดการต่อวงจร (เชิงอธิบาย)

ลำดับการต่อโดยทั่วไปคือ:

GPIO Output → ตัวต้านทาน → LED → GND

เมื่อ GPIO เป็น HIGH

แรงดันไฟฟ้าจะไหลจาก GPIO ผ่านตัวต้านทาน ผ่าน LED ลงสู่ GND ทำให้ LED ติด

เมื่อ GPIO เป็น LOW

จะไม่มีแรงดันไฟฟ้าไหลในวงจร ทำให้ LED ดับ

บทบาทของตัวต้านทาน

ตัวต้านทานทำหน้าที่:

จำกัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน LED

ป้องกันไม่ให้ GPIO จ่ายกระแสมากเกินไป

ค่าที่นิยมใช้:

220Ω – 330Ω

สว่าง

LED สว่าง

470Ω – 1kΩ

ปลอดภัย

LED สว่างน้อยลง แต่ปลอดภัยสูง

ข้อควรระวังในการใช้ GPIO Output กับ LED

GPIO ของบอร์ดส่วนใหญ่ใช้แรงดัน 3.3V

GPIO ไม่เหมาะสำหรับจ่ายกระแสสูง

ห้ามต่อ LED เข้ากับ GPIO โดยไม่มีตัวต้านทาน

หากต้องการควบคุมอุปกรณ์ที่กินไฟมาก ควรใช้ทรานซิสเตอร์หรือรีเลย์

สรุป

วงจร GPIO Output + LED เป็นวงจรพื้นฐานที่ใช้แสดงผลสถานะการทำงานของบอร์ด โดย GPIO จะส่งสัญญาณแบบดิจิทัล (HIGH / LOW) เพื่อควบคุมการติด–ดับของ LED ผ่านตัวต้านทานและกราวด์ การเข้าใจวงจรนี้เป็นพื้นฐานสำคัญก่อนต่อยอดไปสู่งานควบคุมอุปกรณ์และระบบ Embedded ที่ซับซ้อนมากขึ้น

การควบคุม LED ด้วยขา GPIO สามารถต่อวงจรได้ 2 รูปแบบหลัก ตามทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า คือ

1แบบ Active HIGH (Source Current)

หลักการ

ขา GPIO ทำหน้าที่จ่ายไฟออก (Source Current)

HIGHติดLED จะติด เมื่อ GPIO เป็น

LOWดับLED จะดับ เมื่อ GPIO เป็น

ตัวอย่างโค้ด GPIO Output

gpio_output.py

1from machine import Pin
2from machine import FPIOA
3import time
4fpioa = FPIOA()
5fpioa.set_function(3, FPIOA.GPIO3)
6pin = Pin(3, Pin.OUT, pull=Pin.PULL_NONE, drive=7)
7while 1 :
8    pin.value(1)
9    print("LED ON")
10    time.sleep(1)
11    pin.value(0)
12    print("LED OFF")
13    time.sleep(1)

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

2แบบ Active LOW (Sink Current)

หลักการ

ขา GPIO ทำหน้าที่ดึงกระแสลงกราวด์ (Sink Current)

LOWติดLED จะติด เมื่อ GPIO เป็น

HIGHดับLED จะดับ เมื่อ GPIO เป็น

ผลลัพธ์การรันโปรแกรม

สรุป

GPIO Output นั้นสามารถต่อวงจรได้ 2 แบบ แต่ละแบบมีการใช้งานที่ไม่เหมือนกันแล้วแต่งาน สามารถใช้ขา 3, 4, 42, 43, 46, 47, 12, 11, 14, 15, 16, 17 ได้

กำลังโหลด...