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.. _2.1.9_py_mcp3008:

2.1.9 Joystick (MCP3008)
=========================

Einführung
----------

In diesem Projekt lernen wir, wie ein Joystick funktioniert. Wir bewegen den Joystick und zeigen die Ergebnisse auf dem Bildschirm an.

Benötigte Komponenten
---------------------

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten. 

.. image:: ../img/image317 - Copy.png

Es ist auf jeden Fall praktisch, ein komplettes Kit zu kaufen. Hier ist der Link: 

.. list-table::
    :widths: 20 20 20
    :header-rows: 1

    *   - Name	
        - ARTIKEL IN DIESEM KIT
        - LINK
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

Du kannst sie auch separat über die folgenden Links kaufen.

.. list-table::
    :widths: 30 20
    :header-rows: 1

    *   - KOMPONENTENVORSTELLUNG
        - KAUFLINK

    *   - :ref:`cpn_gpio_board`
        - |link_gpio_board_buy|
    *   - :ref:`cpn_breadboard`
        - |link_breadboard_buy|
    *   - :ref:`cpn_wires`
        - |link_wires_buy|
    *   - :ref:`cpn_resistor`
        - |link_resistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_joystick`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_mcp3008`
        - \-

Schaltplan
----------

Beim Auslesen der Joystick-Daten gibt es Unterschiede zwischen den Achsen: Die Daten der X- und Y-Achse sind analog und müssen über den MCP3008 in digitale Werte umgewandelt werden. Die Daten der Z-Achse sind digital und können direkt über den GPIO ausgelesen werden, können aber auch über den ADC gelesen werden.

.. .. image:: ../img/2.1.9_joystick_schematic_1.png

    *   - T-Board-Name
        - physical
        - WiringPi
        - BCM

    *   - SPICE0
        - pin24
        - 10
        - 8
    *   - SPIMOSI
        - pin19
        - 12
        - 10
    *   - SPIMISO
        - pin21
        - 13
        - 9
    *   - SPISCLK
        - pin23
        - 14
        - 11
    *   - GPIO22
        - pin15
        - 3
        - 22

.. image:: ../img/schematic_2.1.9_joystick_mcp3008.png

Experimentelle Schritte
-----------------------

**Schritt 1:** Baue die Schaltung auf.

.. image:: ../img/july24_2.1.9_joystick_mcp3008.png

**Schritt 2:** Richte die SPI-Schnittstelle ein und installiere die ``spidev``-Bibliothek (siehe :ref:`spi_configuration` für detaillierte Anweisungen). Wenn du diese Schritte bereits abgeschlossen hast, kannst du diesen Schritt überspringen.

**Schritt 3:** Wechsle in den Code-Ordner.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python

**Schritt 4:** Führe den Code aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 2.1.9-2_Joystick.py

Nachdem der Code ausgeführt wird, bewege den Joystick, und die entsprechenden Werte von x, y und Btn werden auf dem Bildschirm angezeigt.

.. warning::

    Wenn die Fehlermeldung ``RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address`` erscheint, siehe :ref:`faq_soc`

**Code**

.. note::

    Du kannst den untenstehenden Code **Bearbeiten/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**. Gehe zuvor in das Quellcodeverzeichnis wie ``raphael-kit/python``. Nach Änderungen kannst du den Code direkt ausführen, um das Ergebnis zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    import RPi.GPIO as GPIO
    import spidev
    import time

    # GPIO-Pin für den Joystick-Button (SW-Pin)
    BTN_PIN = 22

    # GPIO-Modus festlegen
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)  # interner Pull-up

    # SPI-Kommunikation mit MCP3008 initialisieren
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)  # SPI-Bus 0, CE0
    spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

    def read_adc(channel):
        """
        Liest den analogen Wert vom angegebenen MCP3008-Kanal (0–7)
        :param channel: ADC-Kanalnummer (0–7)
        :return: 10-Bit-Integerwert (0–1023)
        """
        if channel < 0 or channel > 7:
            return -1
        adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
        value = ((adc[1] & 0x03) << 8) | adc[2]
        return value

    try:
        # Hauptschleife zum Lesen und Ausgeben der Joystick-Werte und des Button-Status
        while True:
            # Lese X- und Y-Werte von den MCP3008-Kanälen 1 und 2
            x_val = read_adc(1)  # Joystick VRX an CH1
            y_val = read_adc(2)  # Joystick VRY an CH2

            # Lese den Zustand des Joystick-Buttons (SW)
            Btn_val = GPIO.input(BTN_PIN)  # 0 = gedrückt, 1 = losgelassen

            # Werte ausgeben
            print('X: %d  Y: %d  Btn: %d' % (x_val, y_val, Btn_val))

            time.sleep(0.2)

    except KeyboardInterrupt:
        pass

    finally:
        spi.close()
        GPIO.cleanup()

**Code-Erklärung**

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    import RPi.GPIO as GPIO
    import spidev
    import time

Dieser Abschnitt importiert die benötigten Bibliotheken:

- ``RPi.GPIO`` wird verwendet, um GPIO-Eingaben (Joystick-Button) zu verarbeiten.
- ``spidev`` wird verwendet, um mit dem MCP3008-ADC-Chip über SPI zu kommunizieren.
- ``time`` wird verwendet, um Verzögerungen zwischen den Messungen einzufügen.

.. code-block:: python

    # GPIO-Pin für den Joystick-Button (SW-Pin)
    BTN_PIN = 22

    # GPIO-Modus festlegen
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

    # SPI-Kommunikation mit MCP3008 initialisieren
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)  # SPI-Bus 0, CE0
    spi.max_speed_hz = 1000000

Dieser Block setzt den GPIO-Modus auf ``BCM``, initialisiert den Joystick-Button-Eingang auf GPIO22 mit einem Pull-up-Widerstand und konfiguriert die SPI-Schnittstelle mit MCP3008 unter Verwendung von Bus 0 und Chip Enable 0 (CE0) bei 1 MHz.

.. code-block:: python

    def read_adc(channel):
        """
        Liest den analogen Wert vom angegebenen MCP3008-Kanal (0–7)
        :param channel: ADC-Kanalnummer (0–7)
        :return: 10-Bit-Integerwert (0–1023)
        """
        if channel < 0 or channel > 7:
            return -1
        adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
        value = ((adc[1] & 0x03) << 8) | adc[2]
        return value

Definiert die Funktion ``read_adc()``, um analoge Daten von einem bestimmten MCP3008-Kanal zu lesen. Es werden drei Bytes über SPI gesendet, und die Antwort wird interpretiert, um einen 10-Bit-Wert von 0 bis 1023 zurückzugeben.

.. code-block:: python

    try:
        # Hauptschleife zum Lesen und Ausgeben der Joystick-Werte und des Button-Status
        while True:
            # Lese X- und Y-Werte von den MCP3008-Kanälen 0 und 1
            x_val = read_adc(0)  # Joystick VRX an CH0
            y_val = read_adc(1)  # Joystick VRY an CH1

            # Lese den Zustand des Joystick-Buttons (SW)
            Btn_val = GPIO.input(BTN_PIN)  # 0 = gedrückt, 1 = losgelassen

            # Werte ausgeben
            print('X: %d  Y: %d  Btn: %d' % (x_val, y_val, Btn_val))

            time.sleep(0.2)

    except KeyboardInterrupt:
        pass

    finally:
        spi.close()
        GPIO.cleanup()

Diese Hauptschleife liest und gibt die X/Y-Positionen des Joysticks und den Zustand des Buttons alle 200 ms aus. Wenn das Skript über die Tastatur (Strg+C) unterbrochen wird, werden SPI und GPIO ordnungsgemäß bereinigt.