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[项目] 详解树莓派的gpio功能及实用方法

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白丁

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发表于 2020-5-25 09:11:44 |显示全部楼层
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() //

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