树莓派gpio接口及编程方法

 

　　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，下面详细介绍一下树莓派gpio接口及编程方法。

　　GPIO基本介绍

　　GPIO（GeneralPurposeI/OPorts）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。

　　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。

　　GPIO的编号

　

　　操作树莓派的GPIO端口，GPIO的编号便存在三种不同的方式

　　1、插座编号方式

　　编号侧重P1插座侧，从上到下，从左到右。正如图的Header一栏。

　　2、BCM2835编号方式

　　编号侧重CPU寄存器，根据BCM2835的GPIO寄存器编号。正如图BCMGPIO一栏。

　　3、wiringPi编号方式

　　编号侧重实现逻辑，把扩展GPIO端口从0开始编号，这种编号方便编程。正如图WiringPi一栏。

　　GPIO代码编写

　　1、直接在树莓派中编写

　　树莓派中有几款代码（文本）编辑软件，可以在树莓派中编写代码。

　　2、在windows中编写

　　可以在windows中编写代码，如果是Python脚本可通过FTP软件传输到树莓派中，然后使用SSH客户端登录到树莓派中执行Python脚本。如果是C语言文件，除了使用FTP传输之外还需要在树莓派上编译才可以生成可执行文件（相当于windows上的exe文件）。

　　3、在其他linux中编写

　　与windows中编写代码不同，在其他linux发行版（例如ubuntu）中可安装交叉工具链，交叉编译C文件生成在树莓派的可执行文件，那么使用FTP传输可执行文件至树莓派即可。其实方式1和方式3是几乎相同的。

　　控制GPIO编程

　　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。

　　importRPi.GPIOasGPIO

　　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：

　　importRPi.GPIOasGPIO

　　exceptRuntimeError：

　　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，notGPIO.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

　　whileGPIO.input（channel）==GPIO.LOW：

　　time.sleep（0.01）#wait10mstogiveCPUchancetodootherthings

　　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）

　　ifchannelisNone：

　　print（‘Timeoutoccurred’）

　　else：

　　print（‘Edgedetectedonchannel’，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）#addrisingedgedetectiononachannel

　　do_something（）

　　//下面的代码放在一个线程循环执行。

　　ifGPIO.event_detected（channel）：

　　print（‘Buttonpressed’）

　　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：

　　defmy_callback（channel）：

　　print（‘Thisisaedgeeventcallbackfunction！’）

　　print（‘Edgedetectedonchannel%s’%channel）

　　print（‘Thisisruninadifferentthreadtoyourmainprogram’）

　　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：

　　defmy_callback_one（channel）：

　　print（‘Callbackone’）

　　defmy_callback_two（channel）：

　　print（‘Callbacktwo’）

　　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

　　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：

　　importRPi.GPIOasGPIO//引入函数库

　　importtime

　　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

　　whileTrue

　　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python3main.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：

　　importtime

　　importRPi.GPIOasGPIO//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：

　　while1：

　　fordcinrange（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）

　　fordcinrange（100，-1，-5）：

　　p.ChangeDutyCycle（dc）

　　time.sleep（0.1）

　　exceptKeyboardInterrupt：

　　pass

　　p.stop（）//停止输出PWM波

　　GPIO.cleanup（）//清除

　　结语

　　在文中，主要讲解了GPIO的概念，以及如何使用python操作GPIO。但是想要充分了解树莓派gpio编程，还需要自己实际动手操作以及分析总结。