以前のエントリ
PCより値段が高い？小型ボードコンピュータIntel Joule（じゅーる）の話を聞いてきた！
http://blog.goo.ne.jp/xmldtp/e/8b7c95dc006a91c80316f9dab50b5471
ＧＰＩＯの電圧変換（５Ｖ⇔３．３Ｖ）をしなけりゃいけないところで、
抵抗を入れるとか、オープンドレインとか、プルアップとか、かなり怪しげ
に使っていたので、どういうときに、何をするかについて、まとめておきます。
それをしないと、どういう羽目になるかということも含めて・・・
■まずは、ＧＰＩＯの入出力と、電圧の関係を考える
たとえば、
Raspberry PiはGPIO 3.3V
Arduinoでは、GPIO 5V
なので、Raspberry Pi,Arduinoをつないで、ＧＰＩＯを使う場合、
電圧の関係は、３とおりある
（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い（OUTがArduino,INがRaspberry Pi等）
→高い電圧のものを、電圧を下げて入力したいとき
（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い（OUTがRaspberry Pi,INがArduino等）
→低い電圧のものを、電圧を上げて入力したいとき
（３）出力電圧と入力電圧が同じ(OUTがRaspberry Pi,INもRaspberry Pi等）
さらに、Raspberry Piに、スイッチ等（マイコン等のGPIO以外）をつないで、ＧＰＩＯを使う場合
（４）入力に、なにかをつなぐ場合（ＳＷなど）
（５）出力に、なにかを使う場合（ＬＥＤなど）
このうち、
（３）は、つなげばよい（ＧＮＤもつながないといけないケースもあるけど、
とりあえず、この後述べるような、プルアップ等の話とは関係ない）
（５）は、つなぐ先のものが、高いものを要求していれば（１）、
低いものを要求していたら（２）なので、そこで書く。
ということで、（１）、（２）、（４）について説明する。これらは全部、対応が違う
■（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い→抵抗分圧を使う
OUTがArduino ５Ｖ,INがRaspberry Pi３．３Ｖのようなケース。
これは、抵抗分圧という方法を使う。
以下のサイトに例がある
5Vから3.3Vに分圧する
http://make.bcde.jp/circuit/5v%E3%81%8B%E3%82%893-3v%E3%81%AB%E5%A4%89%E6%8F%9B%E3%81%99%E3%82%8B/
【方法】
・抵抗を２本以上用意する。
→ここでは１ＫΩと２ＫΩとする。
・それらを直列につなぐ（３本以上あるなら直列＋並列、並列＋直列にしても可）
→ －－１ＫΩ－－２ＫΩ－－
・ＧＰＩＯの出力（＝高電圧）の端子を抵抗の一端に、他方をＧＮＤに接続する
→ ＊－－１ＫΩ－－２ＫΩ－－＊
｜ ｜
Arduino OUT I N
・ＧＰＩＯの入力（＝低電圧）の端子を、抵抗間のところに、他方をＧＮＤに接続する
→
RasPi I N OUT
｜ ｜
＊－－１ＫΩ－＊－２ＫΩ－－＊
｜ ｜
Arduino OUT I N
→この方法を、抵抗分圧といいます。
【なぜ、これでＯＫなのか】
オームの法則Ｅ＝ＩＲなので、抵抗に比例した電圧が流れます。
いま、Arduinoは、３ＫΩ（１＋２）の抵抗なので、ここに５Ｖを流すと、
Raspberry Piは、２ＫΩ＝Arduinoの３分の２の抵抗がつながっているので、
電圧も、３分の２つまり、３．３３３３３３・・Ｖの電圧が流れます。
これがほしかった電圧です。めでたしめでたし。
【変形－（５）の場合】
上記のケースは、ただしく電圧がほしいときで、ＬＥＤをつなげるように、適当に
下がった電圧が欲しい＆つなげるものもある程度の抵抗値というときには、２本の抵抗ではなく、
１本の抵抗と、１本のＬＥＤを直列につないで、上記のような抵抗分圧をさせます。
【これをしないと】
高い電圧が流れることになり、低い入力電圧側のプロセッサを壊す可能性が
ないとはいえません。
■（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い→オープンドレイン＋プルアップを使う
【戦略】
直流電流で、低い電圧をそのまま高くするという方法は、簡単ではないです。
（交流にしてしまえば（＝インバーターを入れる）、トランスで簡単に出来る）
そこで、高電圧のものを持ってきて、それを低電圧で制御（ＳＷ－ＯＮ／ＯＦＦ）
すると言う方法を取ります。
実は、このケース、いろいろやり方があるのですが、一番オーソドックス
と思われる、オープンドレイン＋プルアップを使う方法を書きます。
【方法】
・汎用ＩＣには、ＮＡＮＤ，ＯＲなどいろいろありますが、「なにもしない」という
バッファというものがあります。７４ＨＣ０７等がそれです。これを秋葉原か
通販で買ってください。ついでに、ブレッドボードやジャンパ線、抵抗(10KΩ位）も
→７４ＨＣ０７は、バッファなのですが、「オープンドレイン」と呼ばれます。
それを買ってください。以下、これをＩＣと書きます。
・低電圧（Raspberry Pi）を、以下のようにつなぎます。ブレッドボード上でやってね！
Ras PiのＧＮＤピン－ ＩＣのGND
Ras Piの３．３Ｖ － ＩＣのＶＣＣ（ＶＤＤ）
RasPiの出力端子 － ＩＣの１番（３番、５番・・でもいい）
ＩＣのＧＮＤ－ブレッドボードのＧＮＤ（端の青のライン）
・高電圧を、以下のようにつなげます。
ArduinoのＧＮＤピン－ブレッドボードのＧＮＤ（端の青のライン）
Arduinoの５Ｖピン－ブレッドボードのＶＣＣ（ＶＤＤ）（端の赤のライン）
ＩＣの２番（１番を使った場合）－抵抗の一つの足
抵抗の他方の足－ブレッドボードのＶＣＣ（ＶＤＤ）（端の赤のライン）
Arduinoの入力ピン－ICの２番と、抵抗の一つの足の間
つまり、
→ブレッドボードのＶＣＣ→プルアップ抵抗ー＊→Ａｒｄｕｉｎｏ→ＧＮＤ
｜
＊ ICの２番ピン ＊→ＧＮＤ
｜
＊ ICの１番ピン ｜
｜
RasPi 出力 →ＧＮＤ
・・・なんですけど、通じてます？ごめん、いま回路図をかける環境にないので・・・
（気が向いたら、後日、ここに回路図が入る）
このときの抵抗（買ってきた１０ＫΩ）を、プルアップ抵抗と呼びます。
【なぜ、これでＯＫなのか】
オープンドレインは、
・信号がＬＯＷのとき、ＬＯＷ信号を出します。
なので、RasPiから１番ピンでＬＯＷを受け取ると、
ICの２番ピンにLOW信号を出します。
ICの２番ピンとArduinoの入力は並列なので（抵抗の並列つなぎ＝同じ電圧）、
Arduinoの入力もLOWになります・・・OK！
・信号がＨｉｇｈのとき、Ｈｉｇｈ（３．３）でなく、
「ハイインピーダンス」Ｚを返します。
こうすると、２番ピンが電気的に切れることになり、ＩＣに電流は流れません。
→ブレッドボードのＶＣＣ→プルアップ抵抗→Ａｒｄｕｉｎｏ→ＧＮＤの
流れだけになります。
もともとArduinoの入力ポートには、
そんなに電流が流れない＝（オームの法則より）抵抗値がめちゃくちゃ大きい
ものになっています。
入力ポートの抵抗値はプルアップ抵抗１０KΩより、はるかに大きいので、
抵抗分圧により、はるかに大きいAduinoの入力ポートに、５Vほとんどの電圧が
かかります（そしてちょっと電流が流れる）・・・OK
この場合、プルアップ抵抗がなければいけません。
ただし、Raspberry Piでは、ソフトウェア的にプルアップ抵抗をかけることが出来ます。
（というか、設定されています）※
【これをしないと】
規定電圧に達しない場合、Ｈｉｇｈになったことが、高電圧側で、認知できません。
したがって、つないで信号をＨｉｇｈにしても、ＬＯＷが続いていると思って、
なにもおこりません。
■（４）入力に、なにかをつなぐ場合→プルダウン抵抗
【戦略】
実は
Ｒａｓ Ｐｉ3.3Vにスイッチのいったん
Ras Pi入力にスイッチの他端
で、うごきます。動くのですが、おかしな動きをすることがあります。
ＧＮＤに繋がっていないので、電位が確定していないし、
スイッチが切れているときにアンテナ代わりになって、
ほかの回路に流れた電流から生じた電磁波を拾ってしまい
ノイズがでたりするかもしれません。
→ノイズが出る：
ソフト的にいうと、イベントが２回上がったり、上がり続けたりして、
正しくイベントが取得できなくなる。
そこで、ＧＮＤ、スイッチの他端間に抵抗を置いて、これを防ぐことがあります・・
・・ってか、たいていこうします。
これを、プルダウン抵抗といいます。
・・・なんですけど、通じてます？ごめん、いま回路図をかける環境にないので・・・
（気が向いたら、後日、ここに回路図が入る）
プルダウン抵抗を小さくしてしまうと、抵抗側に電流・電圧が流れてしまうので、
大きくします。
ただし、Raspberry Piでは、プルダウン抵抗も自動的に設定することが出来ます
（というか、設定されています）※
【方法】
・Ｒａｓ Ｐｉ3.3Vにスイッチのいったん
・Ras Pi入力にスイッチの他端
ここまでは上述
・RasPi入力＝スイッチの他端に抵抗（１０KΩとか）をつけて
・もう一方の抵抗の端をGNDにつけます
【なぜ、これでOKなのか】
・スイッチから、RasPiのところを書くと、こうなりますよね
３．３V－－SW－＊ー１０KΩーーGND
｜ ｜
Ras Pi 入力 RasPiGND
つまり、 SWは直列、RasPiとプルダウン抵抗（１０KΩ）は並列です。
SWはほとんど抵抗が無いので、抵抗値が大きい、プルダウン抵抗＋RasPi入力に
３．３Vほとんどの電圧が流れます（抵抗分圧）
そして、プルダウン抵抗とRasPiは並列なので、同じ電圧が流れます（ほぼ３．３V)
電流は小さくなっちゃうけど、大丈夫、入力ポートへの電流は、小さくてもOKです。
【これをしないと】
・しなくても大丈夫なことも結構あるんだけど、
しないと、不可解な動きをすることも、結構ある。
■まとめ
（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い→抵抗分圧
（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い→プルアップ＋オープンドレイン
（３）出力電圧と入力電圧が同じ →そのままつなぐ
（４）入力に、なにかをつなぐ場合 →プルダウン抵抗
（５）出力に、なにかを使う場合 →相手先の電圧による
と対策が違います。そして、ArduinoとRaspberry Piをつなぐ場合、
Arduinoが出力なら（１）、Arduinoが入力なら（２）
（RasPiはその逆）
と、入出力によってやることが違うので、一概に、抵抗を入れるとか、
オープンドレインとかいえないのです・・・ここに注意が必要です。
※Raspberry Piのプルアップ、プルダウンは
Raspberry PiのGPIOは起動直後から内部プルダウンされている
http://d.hatena.ne.jp/hnw/20150607
を参照
PCより値段が高い？小型ボードコンピュータIntel Joule（じゅーる）の話を聞いてきた！
http://blog.goo.ne.jp/xmldtp/e/8b7c95dc006a91c80316f9dab50b5471
ＧＰＩＯの電圧変換（５Ｖ⇔３．３Ｖ）をしなけりゃいけないところで、
抵抗を入れるとか、オープンドレインとか、プルアップとか、かなり怪しげ
に使っていたので、どういうときに、何をするかについて、まとめておきます。
それをしないと、どういう羽目になるかということも含めて・・・
■まずは、ＧＰＩＯの入出力と、電圧の関係を考える
たとえば、
Raspberry PiはGPIO 3.3V
Arduinoでは、GPIO 5V
なので、Raspberry Pi,Arduinoをつないで、ＧＰＩＯを使う場合、
電圧の関係は、３とおりある
（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い（OUTがArduino,INがRaspberry Pi等）
→高い電圧のものを、電圧を下げて入力したいとき
（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い（OUTがRaspberry Pi,INがArduino等）
→低い電圧のものを、電圧を上げて入力したいとき
（３）出力電圧と入力電圧が同じ(OUTがRaspberry Pi,INもRaspberry Pi等）
さらに、Raspberry Piに、スイッチ等（マイコン等のGPIO以外）をつないで、ＧＰＩＯを使う場合
（４）入力に、なにかをつなぐ場合（ＳＷなど）
（５）出力に、なにかを使う場合（ＬＥＤなど）
このうち、
（３）は、つなげばよい（ＧＮＤもつながないといけないケースもあるけど、
とりあえず、この後述べるような、プルアップ等の話とは関係ない）
（５）は、つなぐ先のものが、高いものを要求していれば（１）、
低いものを要求していたら（２）なので、そこで書く。
ということで、（１）、（２）、（４）について説明する。これらは全部、対応が違う
■（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い→抵抗分圧を使う
OUTがArduino ５Ｖ,INがRaspberry Pi３．３Ｖのようなケース。
これは、抵抗分圧という方法を使う。
以下のサイトに例がある
5Vから3.3Vに分圧する
http://make.bcde.jp/circuit/5v%E3%81%8B%E3%82%893-3v%E3%81%AB%E5%A4%89%E6%8F%9B%E3%81%99%E3%82%8B/
【方法】
・抵抗を２本以上用意する。
→ここでは１ＫΩと２ＫΩとする。
・それらを直列につなぐ（３本以上あるなら直列＋並列、並列＋直列にしても可）
→ －－１ＫΩ－－２ＫΩ－－
・ＧＰＩＯの出力（＝高電圧）の端子を抵抗の一端に、他方をＧＮＤに接続する
→ ＊－－１ＫΩ－－２ＫΩ－－＊
｜ ｜
Arduino OUT I N
・ＧＰＩＯの入力（＝低電圧）の端子を、抵抗間のところに、他方をＧＮＤに接続する
→
RasPi I N OUT
｜ ｜
＊－－１ＫΩ－＊－２ＫΩ－－＊
｜ ｜
Arduino OUT I N
→この方法を、抵抗分圧といいます。
【なぜ、これでＯＫなのか】
オームの法則Ｅ＝ＩＲなので、抵抗に比例した電圧が流れます。
いま、Arduinoは、３ＫΩ（１＋２）の抵抗なので、ここに５Ｖを流すと、
Raspberry Piは、２ＫΩ＝Arduinoの３分の２の抵抗がつながっているので、
電圧も、３分の２つまり、３．３３３３３３・・Ｖの電圧が流れます。
これがほしかった電圧です。めでたしめでたし。
【変形－（５）の場合】
上記のケースは、ただしく電圧がほしいときで、ＬＥＤをつなげるように、適当に
下がった電圧が欲しい＆つなげるものもある程度の抵抗値というときには、２本の抵抗ではなく、
１本の抵抗と、１本のＬＥＤを直列につないで、上記のような抵抗分圧をさせます。
【これをしないと】
高い電圧が流れることになり、低い入力電圧側のプロセッサを壊す可能性が
ないとはいえません。
■（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い→オープンドレイン＋プルアップを使う
【戦略】
直流電流で、低い電圧をそのまま高くするという方法は、簡単ではないです。
（交流にしてしまえば（＝インバーターを入れる）、トランスで簡単に出来る）
そこで、高電圧のものを持ってきて、それを低電圧で制御（ＳＷ－ＯＮ／ＯＦＦ）
すると言う方法を取ります。
実は、このケース、いろいろやり方があるのですが、一番オーソドックス
と思われる、オープンドレイン＋プルアップを使う方法を書きます。
【方法】
・汎用ＩＣには、ＮＡＮＤ，ＯＲなどいろいろありますが、「なにもしない」という
バッファというものがあります。７４ＨＣ０７等がそれです。これを秋葉原か
通販で買ってください。ついでに、ブレッドボードやジャンパ線、抵抗(10KΩ位）も
→７４ＨＣ０７は、バッファなのですが、「オープンドレイン」と呼ばれます。
それを買ってください。以下、これをＩＣと書きます。
・低電圧（Raspberry Pi）を、以下のようにつなぎます。ブレッドボード上でやってね！
Ras PiのＧＮＤピン－ ＩＣのGND
Ras Piの３．３Ｖ － ＩＣのＶＣＣ（ＶＤＤ）
RasPiの出力端子 － ＩＣの１番（３番、５番・・でもいい）
ＩＣのＧＮＤ－ブレッドボードのＧＮＤ（端の青のライン）
・高電圧を、以下のようにつなげます。
ArduinoのＧＮＤピン－ブレッドボードのＧＮＤ（端の青のライン）
Arduinoの５Ｖピン－ブレッドボードのＶＣＣ（ＶＤＤ）（端の赤のライン）
ＩＣの２番（１番を使った場合）－抵抗の一つの足
抵抗の他方の足－ブレッドボードのＶＣＣ（ＶＤＤ）（端の赤のライン）
Arduinoの入力ピン－ICの２番と、抵抗の一つの足の間
つまり、
→ブレッドボードのＶＣＣ→プルアップ抵抗ー＊→Ａｒｄｕｉｎｏ→ＧＮＤ
｜
＊ ICの２番ピン ＊→ＧＮＤ
｜
＊ ICの１番ピン ｜
｜
RasPi 出力 →ＧＮＤ
・・・なんですけど、通じてます？ごめん、いま回路図をかける環境にないので・・・
（気が向いたら、後日、ここに回路図が入る）
このときの抵抗（買ってきた１０ＫΩ）を、プルアップ抵抗と呼びます。
【なぜ、これでＯＫなのか】
オープンドレインは、
・信号がＬＯＷのとき、ＬＯＷ信号を出します。
なので、RasPiから１番ピンでＬＯＷを受け取ると、
ICの２番ピンにLOW信号を出します。
ICの２番ピンとArduinoの入力は並列なので（抵抗の並列つなぎ＝同じ電圧）、
Arduinoの入力もLOWになります・・・OK！
・信号がＨｉｇｈのとき、Ｈｉｇｈ（３．３）でなく、
「ハイインピーダンス」Ｚを返します。
こうすると、２番ピンが電気的に切れることになり、ＩＣに電流は流れません。
→ブレッドボードのＶＣＣ→プルアップ抵抗→Ａｒｄｕｉｎｏ→ＧＮＤの
流れだけになります。
もともとArduinoの入力ポートには、
そんなに電流が流れない＝（オームの法則より）抵抗値がめちゃくちゃ大きい
ものになっています。
入力ポートの抵抗値はプルアップ抵抗１０KΩより、はるかに大きいので、
抵抗分圧により、はるかに大きいAduinoの入力ポートに、５Vほとんどの電圧が
かかります（そしてちょっと電流が流れる）・・・OK
この場合、プルアップ抵抗がなければいけません。
ただし、Raspberry Piでは、ソフトウェア的にプルアップ抵抗をかけることが出来ます。
（というか、設定されています）※
【これをしないと】
規定電圧に達しない場合、Ｈｉｇｈになったことが、高電圧側で、認知できません。
したがって、つないで信号をＨｉｇｈにしても、ＬＯＷが続いていると思って、
なにもおこりません。
■（４）入力に、なにかをつなぐ場合→プルダウン抵抗
【戦略】
実は
Ｒａｓ Ｐｉ3.3Vにスイッチのいったん
Ras Pi入力にスイッチの他端
で、うごきます。動くのですが、おかしな動きをすることがあります。
ＧＮＤに繋がっていないので、電位が確定していないし、
スイッチが切れているときにアンテナ代わりになって、
ほかの回路に流れた電流から生じた電磁波を拾ってしまい
ノイズがでたりするかもしれません。
→ノイズが出る：
ソフト的にいうと、イベントが２回上がったり、上がり続けたりして、
正しくイベントが取得できなくなる。
そこで、ＧＮＤ、スイッチの他端間に抵抗を置いて、これを防ぐことがあります・・
・・ってか、たいていこうします。
これを、プルダウン抵抗といいます。
・・・なんですけど、通じてます？ごめん、いま回路図をかける環境にないので・・・
（気が向いたら、後日、ここに回路図が入る）
プルダウン抵抗を小さくしてしまうと、抵抗側に電流・電圧が流れてしまうので、
大きくします。
ただし、Raspberry Piでは、プルダウン抵抗も自動的に設定することが出来ます
（というか、設定されています）※
【方法】
・Ｒａｓ Ｐｉ3.3Vにスイッチのいったん
・Ras Pi入力にスイッチの他端
ここまでは上述
・RasPi入力＝スイッチの他端に抵抗（１０KΩとか）をつけて
・もう一方の抵抗の端をGNDにつけます
【なぜ、これでOKなのか】
・スイッチから、RasPiのところを書くと、こうなりますよね
３．３V－－SW－＊ー１０KΩーーGND
｜ ｜
Ras Pi 入力 RasPiGND
つまり、 SWは直列、RasPiとプルダウン抵抗（１０KΩ）は並列です。
SWはほとんど抵抗が無いので、抵抗値が大きい、プルダウン抵抗＋RasPi入力に
３．３Vほとんどの電圧が流れます（抵抗分圧）
そして、プルダウン抵抗とRasPiは並列なので、同じ電圧が流れます（ほぼ３．３V)
電流は小さくなっちゃうけど、大丈夫、入力ポートへの電流は、小さくてもOKです。
【これをしないと】
・しなくても大丈夫なことも結構あるんだけど、
しないと、不可解な動きをすることも、結構ある。
■まとめ
（１）出力電圧が高く、入力電圧が低い→抵抗分圧
（２）出力電圧が低く、入力電圧が高い→プルアップ＋オープンドレイン
（３）出力電圧と入力電圧が同じ →そのままつなぐ
（４）入力に、なにかをつなぐ場合 →プルダウン抵抗
（５）出力に、なにかを使う場合 →相手先の電圧による
と対策が違います。そして、ArduinoとRaspberry Piをつなぐ場合、
Arduinoが出力なら（１）、Arduinoが入力なら（２）
（RasPiはその逆）
と、入出力によってやることが違うので、一概に、抵抗を入れるとか、
オープンドレインとかいえないのです・・・ここに注意が必要です。
※Raspberry Piのプルアップ、プルダウンは
Raspberry PiのGPIOは起動直後から内部プルダウンされている
http://d.hatena.ne.jp/hnw/20150607
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