Raspberry Pi und Arduino via UART koppeln

Spannend

Während die seriellen Anschlüsse des Arduino meist mit 5 Volt arbeiten, vertragen die GPIO-Ports des RasPi maximal 3,3 Volt. Wenn Sie eine Signalleitung vom Arduino also direkt an den RasPi anschließen, zerstört die zu hohe Spannung den RasPi unwiederbringlich. Das Problem lässt sich auf zwei Arten lösen.

Ein serieller USB-Adapter arbeitet selbst mit 5 Volt und hat in der Regel kein Problem mit den Datenleitungen des Arduino. Die meisten seriellen USB-Adapter erlauben es darüber hinaus, den Anschlusspegel wahlweise auf 5 oder 3,3 Volt einzustellen. Abbildung 2 zeigt ganz rechts einen solchen Adapter mit einem Jumper zum Einstellen der Spannung. Die Einstellung 3,3 Volt benötigt zum Beispiel der Arduino Due, da dieser wie der RasPi mit 3,3-Volt-Anschlüssen arbeitet.

Wollen Sie die UART-Pins am GPIO-Port des RasPi nutzen, so müssen Sie zumindest den Pegel des RX-Pins reduzieren, da hier der Arduino mit 5 Volt sendet. Am einfachsten gelingt das mit einem Level-Converter (Abbildung 3). Den erhalten Sie – mit einen oder mehreren Kanälen – für etwa 3 Euro bei vielen Elektronikhändlern im Internet. Sie schalten den Converter zwischen die seriellen Pins des Arduino und den GPIO-Port des RasPi. Die Bezeichnung LV steht dabei für die niedrigere Spannung von 3,3 Volt, HV kennzeichnet die höheren 5 Volt.

Abbildung 3: Damit Arduino den RasPi nicht röstet, gilt es, die UART-Spannung mittels 2-Kanal-Level-Converter von 5 auf 3,3 Volt zu reduzieren.

Arduino

Abbildung 4 zeigt einen kleinen Überblick über die gängigsten Modelle des Arduino. Im Hinblick auf die serielle Kommunikation besteht der wesentliche Unterschied in der Spannungsversorgung der Ports. Während Uno, Leonardo und Nano mit 5 Volt an den Ports arbeiten, ist der Due grundsätzlich für 3,3 Volt ausgelegt. Die Modelle Mini, Micro und Trinket gibt es jeweils in beiden Ausführungen.

Abbildung 4: Arduinos Modellvielfalt: Oben Uno und Leonardo, unten Due, Nano und Trinket-kompatibles Miniboard.

Die verschiedenen Arduino-Modelle verfügen teilweise über mehrere serielle Schnittstellen, was es später beim Programmieren zu beachten gilt. Beim Uno ist der serielle Port direkt mit dem USB-Port verbunden. Daher lässt sich bei diesem die serielle Schnittstelle Serial über die Pins 0 (RX) und 1 (TX[2] oder über den USB-Anschluss nutzen, der beim Anschluss am RasPi als /dev/ttyAM0 erscheint.

Der Leonardo verfügt über eine virtuelle serielle USB-Schnittstelle am USB-Anschluss (Serial) und eine serielle Schnittstelle (Serial1) an den Pins 0 (RX) und 1 (TX). Der Due bringt gleich vier serielle Schnittstellen mit, und zwar:

  • Serial an den Pins 0 (RX) und 1 (TX),
  • Serial1 an den Pins 19 (RX) und 18 (TX),
  • Serial2 an den Pins 17 (RX) und 16 (TX) sowie
  • Serial3 an den Pins 15 (RX) und 14 (TX).

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