Mit diesem Beitrag soll eine Einführung in die universelle und moderne Programmiersprache „Python“ gestartet werden. Der Fokus wird dabei auf der Hardwaresteuerung und hardwarenahen Programmierung liegen. Die Gründe, warum Python als Programmiersprache immer beliebter wird, sind vielfältig. Einer der wichtigsten Punkte ist sicher die einfache Erlernbarkeit der Sprache. Zudem verfügt Python über eine klare und einfache Syntax, die einerseits leicht zu erfassen und andererseits auch gut in Projekten umzusetzen ist.

Im ersten Beitrag zum Thema „Python-Programmierung“ wurde die Hardwaresteuerung über die I/O-Pins des Raspberry Pi erläutert. Dabei wurden die Ports lediglich als Ausgänge verwendet, um externe Verbraucher wie z. B. Leuchtdioden anzusteuern. Moderne Prozessoren ermöglichen es jedoch, einen Pin sowohl als Ein- als auch als Ausgang zu konfigurieren. Dadurch können einzelne Pins als universelle Schnittstellen für die gesamte Bandbreite der Elektronik genutzt werden. In diesem Beitrag soll deshalb die Funktion der Pins als Eingänge genauer beschrieben werden. Dabei werden die folgenden Themen und Python-Programmstrukturen vorgestellt: GPIOs als Eingänge; Steuern mit Tastendruck; offene Eingänge und Tasterprellen; einfache Peripheriesteuerung mit „gpiozero“. Die gpiozero Library gestattet eine besonders einfache Ansteuerung und Nutzung der wichtigsten Eingabe/Ausgabe-Funktionen der Raspberry Pi- Pins in Python.

Der Raspberry Pi findet als vielseitiger Einplatinencomputer in der Digitaltechnik eine Vielzahl von Anwendungen. Ein wichtiger Einsatzbereich ist unter anderem die Verwendung als kostengünstige Lernplattform. Die Digitaltechnik ist zur unverzichtbaren Grundlage der modernen Elektronik geworden und die Programmiersprache „Python“ kann verwendet werden, um Grundlagen dieser zentralen Disziplin zu vermitteln. Auch wenn die klassische Digitaltechnik mit einzelnen Logikgattern oder Zähler-ICs zunehmend in den Hintergrund tritt − ohne solide Kenntnisse der digitalen Schaltungstechnik können weder Mikrocontroller noch FPGAs (Free Programmable Gate Arrays), EPLDs (Electronically Programmable Logic Devices), Prozessoren, Displays oder Speichersysteme entwickelt und aufgebaut werden.

Bislang lag der Hauptfokus dieser Artikelserie auf der Ansteuerung von Hardware. Die Kontrolle von IO-Pins und das Blinken von LEDs können in Python mit wenigen, nahezu selbsterklärenden Anweisungen umgesetzt werden. Allerdings kommt man irgendwann an den Punkt, an dem auch tiefere Programmierkenntnisse erforderlich sind. Selbst wenn heute die Programmiertätigkeiten häufig darin bestehen, passende Programmteile oder universelle Bibliotheken zusammenzufügen, ist immer ein gewisses Grundverständnis der elementaren Programmstrukturen erforderlich. Andernfalls lassen sich komplexere Projekte kaum realisieren.

Einer der wesentlichen Nachteile des Raspberry Pi gegenüber vielen Mikrocontrollern wie dem Arduino oder dem ESP32 ist, dass der Pi nicht über analoge Eingänge verfügt. Die reale Welt ist aber analog. Bei Sonnenaufgängen wird es allmählich hell. Lufttemperaturen ändern sich stetig und nicht sprunghaft. Um also Umweltparameter exakt erfassen zu können, ist das Messen analoger Werte erforderlich. Auch bei dieser Aufgabe zeigt Python seine universelle Funktionalität. So ist es mit speziellen Verfahren möglich, ein Python-Programm zu erstellen, das analoge Werte erfassen kann, ohne dass dazu zusätzliche Hardware erforderlich wäre. Will man allerdings Messwerte mit hoher Präzision erfassen, kommt man um einen Analog-Digital-Konverter nicht herum. Der MCP3002 leistet hier gute Dienste.

Der Raspberry Pi eignet sich hervorragend für die Interaktion mit verschiedenen Eingabegeräten. Ob einfache Taster oder komplexere Eingabeeinheiten wie Rotary Encoder und Matrix-Tastaturen – die Möglichkeiten, den Raspberry Pi mit der realen Welt zu verknüpfen, sind vielfältig. In diesem Artikel sollen drei wichtige Arten von Eingabegeräten für den Raspberry Pi näher betrachtet werden: Taster/Druckknöpfe bzw. Schalter, Rotary Encoder und Matrix-Tastaturen mit bis zu 16 Tasten.