详解树莓派的gpio功能及实用方法

来自猩猩的你

树莓派现在越来越火，网上树莓派的资料也越来越多。树莓派源自英国，国外嵌入式开源领域具有良好的分享精神，树莓派各种集成库也层出不穷，下面推荐几个。 　　【python GPIO】 　　【开发语言】——python 　　【简单介绍】——该库更确切的名称为raspberry-gpio-python，树莓派官方资料中推荐且容易上手。python GPIO是一个小型的python库，可以帮助用户完成raspberry相关IO口操作。但是python GPIO库还没有支持SPI、I2C或者1-wire等总线接口。除了python GPIO之外，还有众多的python扩展库（例如webiopi），毫无疑问的说python非常适合树莓派，树莓派也非常适合python。 　　【wiringPi】 　　【开发语言】——C语言 　　【简单介绍】——wiringPi适合那些具有C语言基础，在接触树莓派之前已经接触过单片机或者嵌入式开发的人群。wiringPi的API函数和arduino非常相似，这也使得它广受欢迎。作者给出了大量的说明和示例代码，这些示例代码也包括UART设备，I2C设备和SPI设备等，毫无疑问地说wiringPi功能非常强大。 　　【BCM2835 C Library】 　　【开发语言】——C语言 　　【简单介绍】BCM2835 C Library可以理解为使用C语言实现的相关底层驱动，它给我的感觉更像STM32的库函数，BCM2835 C Library的驱动库包括GPIO、SPI和UART等，可以通过学习BCM2835 C Library熟悉BCM2835相关的寄存器操作。如果有机会开发树莓派上的linux驱动，或自主开发python或PHP扩展驱动，可以从BCM2835 C Library找到不少的“灵感”。 　　GPIO基本介绍　　GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。GPIO是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。掌握了GPIO，差不多相当于掌握了操作硬件的能力。 　　现在，我们先看看树莓派上的GPIO是怎么样的： 　　右上角的详细图： 　　我们重点看第二张详细图。这张图上可以看到，每一个针脚都有Pin#和NAME字段。Pin代表的是该针脚的编号，其中01和02针脚对应第一张图中GPIO最右边竖排的两个针脚。而NAME代表的是该针脚的BCM名称，当然NAME也可以直接看得出针脚的默认功能。比如 3.3v和5v代表着该针脚会输出3.3v和5v的电压，Ground代表着该针脚是接地的，GPIO0*则是一些待用户开发的针脚。每个针脚都可以使用程序进行控制操作。 　　控制GPIO　　想用python来控制GPIO，最便捷的办法就是使用一些python类库，比如树莓派系统本身集成的RPi.GPIO。本文详细介绍如何使用RPi.GPIO来控制GPIO。 　　导入RPi.GPIO模块 　　可以用下面的代码导入RPi.GPIO模块。 　　import RPi.GPIO as GPIO 　　引入之后，就可以使用GPIO模块的函数了。如果你想检查模块是否引入成功，也可以这样写： 　　try： 　　import RPi.GPIO as GPIO 　　except RuntimeError： 　　print（“引入错误”） 　　针脚编号 　　在RPi.GPIO中，同时支持树莓派上的两种GPIO引脚编号。第一种编号是BOARD编号，这和树莓派电路板上的物理引脚编号相对应。使用这种编号的好处是，你的硬件将是一直可以使用的，不用担心树莓派的版本问题。因此，在电路板升级后，你不需要重写连接器或代码。 　　第二种编号是BCM规则，是更底层的工作方式，它和Broadcom的片上系统中信道编号相对应。在使用一个引脚时，你需要查找信道号和物理引脚编号之间的对应规则。对于不同的树莓派版本，编写的脚本文件也可能是无法通用的。 　　你可以使用下列代码（强制的）指定一种编号规则： 　　GPIO.setmode（GPIO.BOARD） 　　# or 　　GPIO.setmode（GPIO.BCM） 　　下面代码将返回被设置的编号规则 　　mode = GPIO.getmode（） 　　警告 　　如果RPi.GRIO检测到一个引脚已经被设置成了非默认值，那么你将看到一个警告信息。你可以通过下列代码禁用警告： 　　GPIO.setwarnings（False） 　　引脚设置 　　在使用一个引脚前，你需要设置这些引脚作为输入还是输出。配置一个引脚的代码如下： 　　# 将引脚设置为输入模式 　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN） 　　# 将引脚设置为输出模式 　　GPIO.setup（channel， GPIO.OUT） 　　# 为输出的引脚设置默认值 　　GPIO.setup（channel， GPIO.OUT， iniTIal=GPIO.HIGH） 　　释放 　　一般来说，程序到达最后都需要释放资源，这个好习惯可以避免偶然损坏树莓派。释放脚本中的使用的引脚： 　　GPIO.cleanup（） 　　注意，GPIO.cleanup（）只会释放掉脚本中使用的GPIO引脚，并会清除设置的引脚编号规则。 　　输出 　　要想点亮一个LED灯，或者驱动某个设备，都需要给电流和电压他们，这个步骤也很简单，设置引脚的输出状态就可以了，代码如下： 　　GPIO.output（channel， state） 　　状态可以设置为0 / GPIO.LOW / False / 1 / GPIO.HIGH / True。如果编码规则为，GPIO.BOARD，那么channel就是对应引脚的数字。 　　如果想一次性设置多个引脚，可使用下面的代码： 　　chan_list = ［11，12］ 　　GPIO.output（chan_list， GPIO.LOW） 　　GPIO.output（chan_list， （GPIO.HIGH， GPIO.LOW）） 　　你还可以使用Input（）函数读取一个输出引脚的状态并将其作为输出值，例如： 　　GPIO.output（12， not GPIO.input（12）） 　　读取 　　我们也常常需要读取引脚的输入状态，获取引脚输入状态如下代码： 　　GPIO.input（channel） 　　低电平返回0 / GPIO.LOW / False，高电平返回1 / GPIO.HIGH / True。 　　如果输入引脚处于悬空状态，引脚的值将是漂动的。换句话说，读取到的值是未知的，因为它并没有被连接到任何的信号上，直到按下一个按钮或开关。由于干扰的影响，输入的值可能会反复的变化。 　　使用如下代码可以解决问题： 　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN， pull_up_down=GPIO.PUD_UP） 　　# or 　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN， pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN） 　　需要注意的是，上面的读取代码只是获取当前一瞬间的引脚输入信号。 　　如果需要实时监控引脚的状态变化，可以有两种办法。最简单原始的方式是每隔一段时间检查输入的信号值，这种方式被称为轮询。如果你的程序读取的时机错误，则很可能会丢失输入信号。轮询是在循环中执行的，这种方式比较占用处理器资源。另一种响应GPIO输入的方式是使用中断（边缘检测），这里的边缘是指信号从高到低的变换（下降沿）或从低到高的变换（上升沿）。 　　轮询方式 　　while GPIO.input（channel） == GPIO.LOW： 　　TIme.sleep（0.01） # wait 10 ms to give CPU chance to do other things 　　边缘检测 　　边缘是指信号状态的改变，从低到高（上升沿）或从高到低（下降沿）。通常情况下，我们更关心于输入状态的该边而不是输入信号的值。这种状态的该边被称为事件。 　　先介绍两个函数： 　　wait_for_edge（） 函数。 　　wait_for_edge（）被用于阻止程序的继续执行，直到检测到一个边沿。也就是说，上文中等待按钮按下的实例可以改写为： 　　channel = GPIO.wait_for_edge（channel， GPIO_RISING， TImeout=5000） 　　IF channel is None： 　　print（‘TImeout occurred’） 　　else： 　　print（‘Edge detected on channel’， channel） 　　add_event_detect（） 函数 　　该函数对一个引脚进行监听，一旦引脚输入状态发生了改变，调用event_detected（）函数会返回true，如下代码： 　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING） # add rising edge detection on a channel 　　do_something（） 　　// 下面的代码放在一个线程循环执行。 　　if GPIO.event_detected（channel）： 　　print（‘Button pressed’） 　　上面的代码需要自己新建一个线程去循环检测event_detected（）的值，还算是比较麻烦的。 　　不过可采用另一种办法轻松检测状态，这种方式是直接传入一个回调函数： 　　def my_callback（channel）： 　　print（‘This is a edge event callback function！’） 　　print（‘Edge detected on channel %s’%channel） 　　print（‘This is run in a different thread to your main program’） 　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING， callback=my_callback） 　　如果你想设置多个回调函数，可以这样： 　　def my_callback_one（channel）： 　　print（‘Callback one’） 　　def my_callback_two（channel）： 　　print（‘Callback two’） 　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING） 　　GPIO.add_event_callback（channel， my_callback_one） 　　GPIO.add_event_callback（channel， my_callback_two） 　　注意：回调触发时，并不会同时执行回调函数，而是根据设置的顺序调用它们。 　　综合例子：点亮LED灯 　　好了，上面说明了一大堆函数库的用法，那么现在就应该来个简单的实验了。这个实验很简单，点亮一个LED灯。 　　编写代码之前，首先你需要将led灯的针脚通过杜邦线连接到树莓派的引脚上，比如你可以连接到11号引脚。 　　新建一个main.py文件，写入如下代码： 　　import RPi.GPIO as GPIO //引入函数库 　　import time 　　RPi.GPIO.setmode（GPIO.BOARD） //设置引脚编号规则 　　RPi.GPIO.setup（11， RPi.GPIO.OUT） //将11号引脚设置成输出模式 　　while True 　　GPIO.output（channel， 1） //将引脚的状态设置为高电平，此时LED亮了 　　time.sleep（1） //程序休眠1秒钟，让LED亮1秒 　　GPIO.output（channel， 0） //将引脚状态设置为低电平，此时LED灭了 　　time.sleep（1） //程序休眠1秒钟，让LED灭1秒 　　GPIO.cleanup（） //程序的最后别忘记清除所有资源 　　保存，并退出文件。执行python3 main.py，即可观看效果。Ctrl+C可以关闭程序。 　　此外，不妨也试试其它的函数吧，增强印象。 　　使用PWM 　　这个python函数库还支持PWM模式的输出，我们可以利用PWM来制作呼吸灯效果。详情看代码： 　　import time 　　import RPi.GPIO as GPIO //引入库 　　GPIO.setmode（GPIO.BOARD） //设置编号方式 　　GPIO.setup（12， GPIO.OUT） //设置12号引脚为输出模式 　　p = GPIO.PWM（12， 50） //将12号引脚初始化为PWM实例 ，频率为50Hz 　　p.start（0） //开始脉宽调制，参数范围为： （0.0 《= dc 《= 100.0） 　　try： 　　while 1： 　　for dc in range（0， 101， 5）： 　　p.ChangeDutyCycle（dc） //修改占空比 参数范围为： （0.0 《= dc 《= 100.0） 　　time.sleep（0.1） 　　for dc in range（100， -1， -5）： 　　p.ChangeDutyCycle（dc） 　　time.sleep（0.1） 　　except KeyboardInterrupt： 　　pass 　　p.stop（） //停止输出PWM波 　　GPIO.cleanup（） //