[教學] Raspberry Pi 搭配力量感測器 (force sensing resistor)

前言

Raspberry Pi 是像名片一樣大小的低價電腦 ，搭配各種外接裝置，能做許多應用。最近對這類開發板有興趣，於是我也買了一片 Raspberry Pi 2 來學習使用。原計畫的應用要搭配可感測壓力的 sensor，偵測使用者施壓的力量大小，但過程中遇到許多困難，尤其是類比訊號的 sensor 適合 Arduino 用，但接上 Raspbery Pi 無法直接使用。基於這方面的中文文件較少，逐一摸索克服之後，決定寫一篇教學，分享給有同樣需要的朋友，可以少走一些冤枉路。

本文使用的硬體裝置

1. Raspberry Pi 2 開發板
2. 類比-數位轉換器 (ADC): Microchip MCP3008 
3. 力量感測 (FSR): Interlink FSR 406
4. 麵包板及各種杜邦跳線

MCP3008

FSR 406

詳細實驗過程

類比-數位轉換器 (ADC, analogue to digital converter)

坊間買得到的 sensors，部份是輸出類比訊號 (例如 linear hall effect sensor、溫度感測...等等)，而 Raspberry Pi 無法讀取類比訊號 (Arduino 可以)，要額外加裝一枚 ADC  晶片，才能讀取。但這是值得的投資，可以在不用買 Arduino 轉板的情況下，讓 RPi 可以玩 Arduino 的類比 sensors。
推薦大家用 Microchip MCP3008，因為外國網站的教學幾乎都是這款，資料好找。缺點是電子商場不常賣。拍賣網站可取得，但推薦 RS components 網站訂購，便宜不少還免運費 (缺點是一次一定要買兩顆以上，到貨要一週)
MCP3008 是 10-bit 的 ADC，可以將輸入類比訊號轉成 0 - 1024 之間的數值，透過 SPI 界面 (不是一般 GPIO) 讓 Raspberry Pi 讀取

連接 MCP3008 到 RPi 有兩篇不錯的教學可以參考 (請搭配下列注意事項)：
https://learn.adafruit.com/reading-a-analog-in-and-controlling-audio-volume-with-the-raspberry-pi/overview
http://atceiling.blogspot.tw/2014/04/raspberry-pi-mcp3008.html#.VnWKzHYiLmU

有幾點要特別注意的

1. 這兩篇適用舊款 Raspberry Pi 一代，若是 RPi2，照著前述教學文件接，是完全不會動的，因為 GPIO 腳位改了。請照新的 RPi2 腳位圖連接，接法相同，但所有 SPI 相關的 pin 位置幾乎都不同。
2. Rasbian 系統預設沒開 SPI 界面，需要手動開啟 (可用 raspi-config 工具，在 Advanced 選項裡面開啟 SPI)
3. 若 SPI 無法運作，可用 spi-test 程式檢測。需要注意的是，檢測時要用一條母-母跳線，把 SPIO MOSI 和 SPIO MISO 這兩個 pin 直接對接起來。這個動作很容易漏掉，會造成測試失敗。(原理是直接把 SPI 輸出 loop back 回輸入，也就是你送出去的資料會繞一圈送回來又送給自己，所以理論上只要 SPI 有運作，一定收得到資料，故可用來檢測)

力量感測器 (force sensing resistor)

感測的是「力量」而非「壓力」，偵測範圍約 10 g - 10 Kg，在 sensor 上有效區域施力都能偵測，但精度不佳，且無法判斷施力點位置。主要的生產商是 Interlink，型號從 FSR 400-408 有多種尺寸，但一般店面少見大尺寸，款式很少，建議網拍購買較便宜。(本文使用 FSR406)
需要特別注意的，是 FSR 406 的連接方式。FSR 尾端的接頭"理論上"直接插上麵包板即可用，但這樣使用容易折彎連接頭造成 FSR 損壞或訊號干擾，建議還是用連接線。不幸的是，一般接 sensor 和麵包板用的杜邦 2.54 mm 跳線母頭，無法接上這款 FSR。經實驗可使用 JST (XH-style) 2.5 mm 的母頭代替，可密合得很好。建議購買這種線，然後在另外一端「自行壓製」杜邦 2.54 mm 的公頭，就可以製作出能從麵包板轉接到 FSR 406 的延長線了。

XH-style 的 JST 2.5 mm 線，以及其塑膠頭

FSR 406 的尾端接不上一般杜邦 2.54 跳線母頭，我問了三間電子商場，都說沒這種接頭，建議我直接焊接。我不死心，把每一種母頭都拿起來試接，發現 JST 2.5 mm 的正好可以密合，如圖，接得很好。

自行購買的杜邦 2.54 公端子和塑膠套，準備壓在 JST 2.5 線的另外一端

把 JST 2.5 mm 的線材，另外一端自行壓上杜邦 2.54 端子，就成了特製的延長線了，可以順利插入到麵包板上。理論上壓製線材，有專用的端子鉗，但是售價太過昂貴，我又很少用。所以最後是使用尖嘴鉗和蠻力土法煉鋼。一樣可以壓緊，也能用，但是形狀較為醜陋，而且我壓壞了一個...

FSR 連接方式 

連接 FSR 可以參考這篇教學，照著接即可，只有幾點要注意

1. 原教學是把電壓變化的類比訊號，接到 Arduino 的訊號輸入，而我們是要接給 ADC 讀取轉成數位訊號，所以是要改接到 MCP 3008 的 channel (0 - 8 都可以，程式內可以控制要讀哪個 channel)
2. FSR 只是一個電阻，本身不發出訊號，但它受到壓力電阻會變小。所以施加電壓，通過的電流大小，就可以反映出所受到的力量 (但不是線性變化)。不過我們不能直接讀電流大小，所以需要額外串聯一個電阻 Rm 做 voltage dividing，來讀取 Rm 兩端的電壓，而這個電壓就是我們給 ADC channel 的訊號輸入。(原理是：當 FSR 受到越大壓力，電阻變小，則通過的電流越大，此時串聯的電阻 Rm 兩端就會有較高的電壓 V = I * Rm 所以我們讀取 ADC，就會讀到比較大的數值了)
3. 施加外力大小，和 FSR 的電阻或可以量到的電壓都不是線性關係，請見官方文件有曲線圖
4. 串接的電阻不同，會使得能夠測量到的數值範圍改變，雖然教學文件建議 10K歐姆，不一定適合每種應用，需要實驗。

我最後連接好的結果長這樣，麵包板左下角超出畫面外的紅線和黑線，是連接到 FSR406 的特製 XH 2.5mm 跳線。麵包板中央的黑色晶片是 MCP3008 ADC

如果還需要 FSR 更完整詳細的資訊，可參考這篇 Integration Guide

程式範例

#!/usr/bin/env python3
import time
import spidev

# Read SPI data from MCP3008, Channel must be an integer 0-7
def ReadADC(spi, ch):
    if ((ch > 7) or (ch < 0)):
       return -1
    adc = spi.xfer2([1,(8+ch)<<4,0])
    data = ((adc[1]&3)<<8) + adc[2]
    return data

if __name__ == "__main__":
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

try:
while True:
value = ReadADC(spi, 0)
print("ADC", value, float(value)*100/1024, "%")
time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
pass
spi.close()

省錢小撇步

使用麵包板時，經常需要用跳線連接。市售跳線盒很方便，有多種長度彩色的短線可用。或也可用杜邦公-公跳線取代，但跳線盒一個通常要 80 - 150 元不等，而杜邦跳線現成的一包十條約 65元，長度通常太長，很難使用。
推薦可以買單芯線替代，用剪刀就能輕易剪出所需長度，再兩端剝皮，可做麵包板跳線，三公尺才約台幣 10 元，非常划算又好用。(剝皮用剪刀輕輕的就可以剝，小心一些並不需要專用鉗子)

把公-公跳線都換成單芯線，清爽很多，才花不到十元。缺點是我只買了一種顏色。後來我把接地的那幾條用奇異筆塗成黑色，就不會搞錯了... =.=  其實應該要買白色的，這樣需要什麼顏色的線就自己塗色就好了 XDD

以上是本次實驗的經驗分享，希望對有在玩 RPi + FSR 的朋友有幫助。