树莓派—GPIO应用详解

前言

经过上一篇文章的解说，相信大家都应该都可以掌握树莓派的安装和基本的使用，然而要玩转树莓派，单单靠几条命令是不够。其中，对于GPIO的操作就是极其重要的。这篇文章介绍树莓派的GPIO，以及用python操作GPIO来实现一些输出输入。

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()    //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。如果有条件，建议大家多动动手，你会收获不少满足感。我也是初学者，如果你有任何问题，大家一起探讨学习。
本文参考文档：https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/