树莓派 GPIO 编程

树莓派包含GPIO接口,可以跟很多种硬件进行连接,给我们扩展树莓派的功能提供了很多方便的接口。
那么,什么是GPIO接口呢?

GPIO的定义

GPIO是(General Purpose Input Output)的缩写,也就是通用输入输出,是一种常见的硬件接口,用以表示开关量。

下图列出列树莓派全系列的图片,其中的针脚就是GPIO接口:
raspberrry

树莓派GPIO针脚的定义

常见的 Raspberry Pi 接口数量分为两种一种 26针 一种 40 针,根据自己手里的 Pi 即可,我这里的是3代Model B+,针脚的定义如下:

针脚

GND表示接地
带V表示电源
绿色的GPIO.*就是我们可以用来编程的针脚。

其他的接口:

TxD/RxD是一组,串口通讯用的,和另外一个树莓派(或其他支持串口通讯的模块)对接(TxD接对方的RxD,Rxd接对方的TxD)设置一样的波特率,可以串口通讯。SDA/SCL是一组,IIC协议通讯用的,接另外一个树莓派(或arduino,支持IIC的模块等等),支持iic协议的,通过iic协议通讯MOSI、MISO、SCLK, CE0, CE1 是SPI通讯协议用的,接个使用SPI通讯的模块就靠它了 来源知乎

反正如果你不是很擅长硬件,也不打算扎根硬件的话,无视他们好了。

可以连接树莓派后,通过命令打印出针脚的定义:

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gpio readall

cmd.png

不知道是我的系统太久,还是我外界的扩展板不支持,这里并没有输出针脚编号,只是说不是支持的型号:

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Unable to determine hardware version. I see: Hardware : BCM2835
,
- expecting BCM2708 or BCM2709.
If this is a genuine Raspberry Pi then please report this
to projects@drogon.net. If this is not a Raspberry Pi then you
are on your own as wiringPi is designed to support the
Raspberry Pi ONLY.

不过没关系,不影响我们的测试。

树莓派的扩展板

这里用的是一个集成的扩展板,这样就不用再额外接引线了。

extend

扩展板的针脚示意图:

excmd

python GPIO

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。

两种针脚编号

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。

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:

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GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # orGPIO.setmode(GPIO.BCM)

下面代码将返回被设置的编号规则

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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:

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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

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GPIO.setup(channel, GPIO.IN)

将引脚设置为输出模式

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GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)

为输出的引脚设置默认值

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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。释放脚本中使用的引脚:

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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。

实验1 控制LED灯闪亮

要想点亮一个 LED 灯或者驱动某个设备,都需要给它们电流和电压,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:

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> 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:

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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:

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GPIO.output(12, not GPIO.input(12))

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:

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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:

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GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
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

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while GPIO.input(channel) == GPIO.LOW:
pass

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:

  1. 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:

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    channel = GPIO.wait_for_edge(channel, GPIO_RISING, timeout=5000)
    if channel is None:
    print('Timeout occurred')
    else:
    print('Edge detected on channel', channel)
  2. 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:

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GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING) # add rising edge detection on a channeldo_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:

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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:

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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。

说了这么多,下面我们开始正式点亮我们的LED灯:
编写一个python脚本:

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#coding:utf-8
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
# 控制LED 闪亮
led = 12
GPIO.setup(led, GPIO.OUT)
try:
while(True):
print '亮'
GPIO.output(led, 1)
time.sleep(1)
print '灭'
GPIO.output(led, 0)
time.sleep(1)
except Exception as e:
print(e)
finally:
GPIO.cleanup()

上传到树莓派上,然后运行:
led

实验2 获取开关信号

实验1 是利用的轮询的方式实现的,这个实验中,我们将要实现获取开关信号的变化,利用边缘检测的方式。
由扩展板的线路图可知,我们这里的按钮有3个,对应的BCM编码分别是 17,18,27.

我们这里使用17作为开关。

轮询的方式

先给出轮询的方式,代码:

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# coding:utf-8
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
# 检测开关
# 3个集成开关的位置 17,18,27 默认为1 按下后信号为0
swtich = 17
GPIO.setup(swtich, GPIO.IN, GPIO.PUD_DOWN)
try:
while(True):
if GPIO.input(swtich) == True:
print '获取开关1信号:%s' % GPIO.input(swtich)
time.sleep(1)
except Exception as e:
print(e)
finally:
GPIO.cleanup()

输出:

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获取开关1信号:1
获取开关1信号:1
获取开关1信号:1
获取开关1信号:1
获取开关1信号:1
获取开关1信号:0
获取开关1信号:0
获取开关1信号:0
获取开关1信号:1
获取开关1信号:1

信号0的时候就是我们按下按钮的时候,不过这里因为是轮询,所以有可能回取不到值,就是我们按下按钮的一刻,树莓派并未获取到这个变化。

边缘检测的方式

利用边缘检测的方式能够方便的检测到开关变化:

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# coding:utf-8
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
# 检测开关
# 3个集成开关的位置 17,18,27 默认为1 按下后信号为0
switch = 17
GPIO.setup(switch, GPIO.IN, GPIO.PUD_DOWN)
def my_callback(channel):
print('按下按钮...')
GPIO.add_event_detect(switch, GPIO.FALLING, callback=my_callback)
try:
while(True):
time.sleep(1)
except Exception as e:
print(e)
finally:
GPIO.cleanup()

输出:

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按下按钮...
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