Raspberry Pi × Python × GPIOの基本はこの3つだけ【XYテーブル実例付き】

はじめに
GPIO操作の「3つの型」をマスターする
まとめ：GPIOは「道具」

はじめに

「Raspberry Piで何か動かしたいけれど、GPIOの設定がいまいちピンとこない…」そんな悩みはありませんか？

実は、本格的なXYテーブル（自作CNC）を動かすコードでも、GPIOの基本操作はたったの3ステップに集約されます。今回は、実際にモーターを制御している現場のコードを抜粋しながら、最短ルートでGPIOをマスターしましょう。

GPIO操作の「3つの型」をマスターする

プログラムの中で、モーターを動かす心臓部となっているのは以下の3つの命令です。

# 1. モードを決める
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 2. ピンの役割を決める（出口か入り口か）
GPIO.setup(X_STEP, GPIO.OUT)

# 3. 電気信号を送る（動かす！）
GPIO.output(X_STEP, GPIO.HIGH)

この3ステップが何を意味しているのか、XYテーブルの動きとリンクさせて解説します。

Python×Raspberry PiでXYテーブルを作る　完成構成と機構部品の資料（図面・BOM）の紹介【第１１回】

①【Step 1】BCMとBOARD、どっちを使う？

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

ラズパイには「ピンの番号」の数え方が2種類あります。

Raspberry Piのピンアサインをみると
GPIO番号とコネクタのピン番が異なっていることが分かります。

BOARD: 基板上の端子番号（1番、2番…）で指定
BCM: チップ上の名前（GPIO20、GPIO21…）で指定

現場の知恵：
自作CNCやXYテーブルの界隈では、拡張基板や回路図との整合性が取りやすい「BCM」が主流です。今回のコードでも、配線のメンテナンス性を考えてBCMを採用しています。

② 【Step 2】OUT / INの意味：電気の「方向」を決める

GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

ピンを「出力（OUT）」にするか「入力（IN）」にするかの設定です。

OUT（出力）： ラズパイからモータードライバーへ「動け！」と命令を送る側。
IN（入力）： リミットスイッチなどが「壁に当たったぞ！」という信号をラズパイへ伝える側。

XYテーブル製作シリーズでは以下のように使用しています。

# モーターを動かす信号は「OUT」
GPIO.setup(X_STEP, GPIO.OUT) 

# 原点検知用のリミットスイッチは「IN」
GPIO.setup(X_LIMIT, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

このように、「命令を出すピン」と「状態を監視するピン」を明確に分けるのが制御の基本です。

💡 現場の豆知識：なぜ `pull_up_down=GPIO.PUD_UP` が必要なの？

リミットスイッチのコードに出てくるこの一見複雑な指定。実は、精密なマシンを動かす上で「誤動作を防ぐ命綱」のような役割を持っています。

１．「浮いている」状態は、ラズパイが迷う原因
スイッチが押されていないとき、そのピンはどこにもつながっていない「空中に浮いた」状態になります。
この時、周りの静電気やノイズの影響を受けて、ラズパイ内部では「今はHIGHかな？それともLOWかな？」と判断がフラフラと不安定になってしまいます。このフラフラと不安定な状態を『浮遊状態（フローティング）』と呼びます。

２．PUD_UP で「ふだんはHIGH」に固定する
ここで GPIO.PUD_UP（プルアップ）の出番です。この設定をすると、ラズパイの内部でそのピンをこっそり3.3V（HIGH）に接続してくれます。

スイッチを押していない時： 内部で電気につながっているため、安定して HIGH と認識される。
スイッチを押した時： 電気がグランド（0V）に流れるため、一気に LOW に変わる。

３．なぜXYテーブルで重要なのか？
もしこの設定を忘れると、モーターが動いている最中のノイズを「あ、リミットスイッチが押された！」とラズパイが勘違いして、何も当たっていないのに急停止（誤作動）してしまう原因になります。

整理すると：

PUD_UP は「普段はHIGHで安定させておくよ」というおまじない。
「スイッチが入った瞬間だけLOWになる」という明確な差を作るための設定。

③【Step 3】HIGH / LOW ＝物理的な「電圧」の切り替え

GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)

最後は実際に電気を流す（または止める）操作です。

HIGH: 電圧がかかっている状態（3.3V）
LOW: 電圧がかかっていない状態（0V）

「モーターが動く」の正体：
「モーターが回る」というのは、実はこのHIGHとLOWを猛烈なスピードで繰り返しているだけなんです。

# 1ステップ動かす仕組み（コードより抜粋）
GPIO.output(STEP, GPIO.HIGH) # 電気を通す
time.sleep(t)                # 少し待つ
GPIO.output(STEP, GPIO.LOW)  # 電気を切る
time.sleep(t)                # 少し待つ

この「カチ・カチ」という電気のスイッチングが、XYテーブルの精密な1mmの移動を生み出しています。