前言

經(jīng)過上一篇文章的解說，相信大家都應(yīng)該都可以掌握樹莓派的安裝和基本的使用，然而要玩轉(zhuǎn)樹莓派，單單靠幾條命令是不夠。其中，對(duì)于GPIO的操作就是極其重要的。這篇文章介紹樹莓派的GPIO，以及用python操作GPIO來實(shí)現(xiàn)一些輸出輸入。

GPIO基本介紹

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態(tài)-是高電平或是低電平。GPIO是個(gè)比較重要的概念，用戶可以通過GPIO口和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號(hào)（如中斷信號(hào)）等。GPIO口的使用非常廣泛。掌握了GPIO，差不多相當(dāng)于掌握了操作硬件的能力。

現(xiàn)在，我們先看看樹莓派上的GPIO是怎么樣的：

右上角的詳細(xì)圖：

我們重點(diǎn)看第二張?jiān)敿?xì)圖。這張圖上可以看到，每一個(gè)針腳都有Pin#和NAME字段。Pin代表的是該針腳的編號(hào)，其中01和02針腳對(duì)應(yīng)第一張圖中GPIO最右邊豎排的兩個(gè)針腳。而NAME代表的是該針腳的BCM名稱，當(dāng)然NAME也可以直接看得出針腳的默認(rèn)功能。比如 3.3v和5v代表著該針腳會(huì)輸出3.3v和5v的電壓，Ground代表著該針腳是接地的，GPIO0*則是一些待用戶開發(fā)的針腳。每個(gè)針腳都可以使用程序進(jìn)行控制操作。

控制GPIO

想用python來控制GPIO，最便捷的辦法就是使用一些python類庫，比如樹莓派系統(tǒng)本身集成的RPi.GPIO。本文詳細(xì)介紹如何使用RPi.GPIO來控制GPIO。

導(dǎo)入RPi.GPIO模塊

可以用下面的代碼導(dǎo)入RPi.GPIO模塊。

import RPi.GPIO as GPIO

引入之后，就可以使用GPIO模塊的函數(shù)了。如果你想檢查模塊是否引入成功，也可以這樣寫：

try:import RPi.GPIO as GPIO
except RuntimeError:print("引入錯(cuò)誤")

針腳編號(hào)

在RPi.GPIO中，同時(shí)支持樹莓派上的兩種GPIO引腳編號(hào)。第一種編號(hào)是BOARD編號(hào)，這和樹莓派電路板上的物理引腳編號(hào)相對(duì)應(yīng)。使用這種編號(hào)的好處是，你的硬件將是一直可以使用的，不用擔(dān)心樹莓派的版本問題。因此，在電路板升級(jí)后，你不需要重寫連接器或代碼。

第二種編號(hào)是BCM規(guī)則，是更底層的工作方式，它和Broadcom的片上系統(tǒng)中信道編號(hào)相對(duì)應(yīng)。在使用一個(gè)引腳時(shí)，你需要查找信道號(hào)和物理引腳編號(hào)之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則。對(duì)于不同的樹莓派版本，編寫的腳本文件也可能是無法通用的。

你可以使用下列代碼（強(qiáng)制的）指定一種編號(hào)規(guī)則：

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

下面代碼將返回被設(shè)置的編號(hào)規(guī)則

mode = GPIO.getmode()

警告

如果RPi.GRIO檢測(cè)到一個(gè)引腳已經(jīng)被設(shè)置成了非默認(rèn)值，那么你將看到一個(gè)警告信息。你可以通過下列代碼禁用警告：

GPIO.setwarnings(False)

引腳設(shè)置

在使用一個(gè)引腳前，你需要設(shè)置這些引腳作為輸入還是輸出。配置一個(gè)引腳的代碼如下：

# 將引腳設(shè)置為輸入模式
GPIO.setup(channel, GPIO.IN)# 將引腳設(shè)置為輸出模式
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)# 為輸出的引腳設(shè)置默認(rèn)值
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)

釋放

一般來說，程序到達(dá)最后都需要釋放資源，這個(gè)好習(xí)慣可以避免偶然損壞樹莓派。釋放腳本中的使用的引腳：

GPIO.cleanup()

注意，GPIO.cleanup()只會(huì)釋放掉腳本中使用的GPIO引腳，并會(huì)清除設(shè)置的引腳編號(hào)規(guī)則。

輸出

要想點(diǎn)亮一個(gè)LED燈，或者驅(qū)動(dòng)某個(gè)設(shè)備，都需要給電流和電壓他們，這個(gè)步驟也很簡(jiǎn)單，設(shè)置引腳的輸出狀態(tài)就可以了，代碼如下：

GPIO.output(channel, state)

狀態(tài)可以設(shè)置為0 / GPIO.LOW / False / 1 / GPIO.HIGH / True。如果編碼規(guī)則為，GPIO.BOARD，那么channel就是對(duì)應(yīng)引腳的數(shù)字。

如果想一次性設(shè)置多個(gè)引腳，可使用下面的代碼：

chan_list = [11,12]
GPIO.output(chan_list, GPIO.LOW)
GPIO.output(chan_list, (GPIO.HIGH, GPIO.LOW))

你還可以使用Input()函數(shù)讀取一個(gè)輸出引腳的狀態(tài)并將其作為輸出值，例如：

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

讀取

我們也常常需要讀取引腳的輸入狀態(tài)，獲取引腳輸入狀態(tài)如下代碼：

GPIO.input(channel)

低電平返回0 / GPIO.LOW / False，高電平返回1 / GPIO.HIGH / True。

如果輸入引腳處于懸空狀態(tài)，引腳的值將是漂動(dòng)的。換句話說，讀取到的值是未知的，因?yàn)樗]有被連接到任何的信號(hào)上，直到按下一個(gè)按鈕或開關(guān)。由于干擾的影響，輸入的值可能會(huì)反復(fù)的變化。
使用如下代碼可以解決問題：

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，上面的讀取代碼只是獲取當(dāng)前一瞬間的引腳輸入信號(hào)。

如果需要實(shí)時(shí)監(jiān)控引腳的狀態(tài)變化，可以有兩種辦法。最簡(jiǎn)單原始的方式是每隔一段時(shí)間檢查輸入的信號(hào)值，這種方式被稱為輪詢。如果你的程序讀取的時(shí)機(jī)錯(cuò)誤，則很可能會(huì)丟失輸入信號(hào)。輪詢是在循環(huán)中執(zhí)行的，這種方式比較占用處理器資源。另一種響應(yīng)GPIO輸入的方式是使用中斷（邊緣檢測(cè)），這里的邊緣是指信號(hào)從高到低的變換（下降沿）或從低到高的變換（上升沿）。

輪詢方式

while GPIO.input(channel) == GPIO.LOW:time.sleep(0.01)  # wait 10 ms to give CPU chance to do other things

邊緣檢測(cè)

邊緣是指信號(hào)狀態(tài)的改變，從低到高（上升沿）或從高到低（下降沿）。通常情況下，我們更關(guān)心于輸入狀態(tài)的該邊而不是輸入信號(hào)的值。這種狀態(tài)的該邊被稱為事件。
先介紹兩個(gè)函數(shù)：

• wait_for_edge() 函數(shù)。
  wait_for_edge()被用于阻止程序的繼續(xù)執(zhí)行，直到檢測(cè)到一個(gè)邊沿。也就是說，上文中等待按鈕按下的實(shí)例可以改寫為：

  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() 函數(shù)
  該函數(shù)對(duì)一個(gè)引腳進(jìn)行監(jiān)聽，一旦引腳輸入狀態(tài)發(fā)生了改變，調(diào)用event_detected()函數(shù)會(huì)返回true，如下代碼：

  GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING)  # add rising edge detection on a channel
  do_something()
  // 下面的代碼放在一個(gè)線程循環(huán)執(zhí)行。
  if GPIO.event_detected(channel):print('Button pressed')

  上面的代碼需要自己新建一個(gè)線程去循環(huán)檢測(cè)event_detected()的值，還算是比較麻煩的。

不過可采用另一種辦法輕松檢測(cè)狀態(tài)，這種方式是直接傳入一個(gè)回調(diào)函數(shù)：

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)

如果你想設(shè)置多個(gè)回調(diào)函數(shù)，可以這樣：

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：回調(diào)觸發(fā)時(shí)，并不會(huì)同時(shí)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，而是根據(jù)設(shè)置的順序調(diào)用它們。

綜合例子：點(diǎn)亮LED燈

好了，上面說明了一大堆函數(shù)庫的用法，那么現(xiàn)在就應(yīng)該來個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單，點(diǎn)亮一個(gè)LED燈。

• 編寫代碼之前，首先你需要將led燈的針腳通過杜邦線連接到樹莓派的引腳上，比如你可以連接到11號(hào)引腳。
• 新建一個(gè)main.py文件，寫入如下代碼：

import RPi.GPIO as GPIO  //引入函數(shù)庫
import timeRPi.GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  //設(shè)置引腳編號(hào)規(guī)則
RPi.GPIO.setup(11, RPi.GPIO.OUT)    //將11號(hào)引腳設(shè)置成輸出模式while TrueGPIO.output(channel, 1)   //將引腳的狀態(tài)設(shè)置為高電平，此時(shí)LED亮了time.sleep(1)   //程序休眠1秒鐘，讓LED亮1秒GPIO.output(channel, 0)   //將引腳狀態(tài)設(shè)置為低電平，此時(shí)LED滅了time.sleep(1)   //程序休眠1秒鐘，讓LED滅1秒GPIO.cleanup()    //程序的最后別忘記清除所有資源

• 保存，并退出文件。執(zhí)行python3 main.py，即可觀看效果。Ctrl+C可以關(guān)閉程序。
• 此外，不妨也試試其它的函數(shù)吧，增強(qiáng)印象。

使用PWM

這個(gè)python函數(shù)庫還支持PWM模式的輸出，我們可以利用PWM來制作呼吸燈效果。詳情看代碼：

import time
import RPi.GPIO as GPIO   //引入庫
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  //設(shè)置編號(hào)方式
GPIO.setup(12, GPIO.OUT)  //設(shè)置12號(hào)引腳為輸出模式p = GPIO.PWM(12, 50)  //將12號(hào)引腳初始化為PWM實(shí)例 ，頻率為50Hz
p.start(0)    //開始脈寬調(diào)制，參數(shù)范圍為： (0.0 <= dc <= 100.0)
try:while 1:for dc in range(0, 101, 5):p.ChangeDutyCycle(dc)   //修改占空比 參數(shù)范圍為： (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()    //停止輸出PWM波
GPIO.cleanup()    //清除

結(jié)語

在文中，主要講解了GPIO的概念，以及如何使用python操作GPIO。如果有條件，建議大家多動(dòng)動(dòng)手，你會(huì)收獲不少滿足感。我也是初學(xué)者，如果你有任何問題，大家一起探討學(xué)習(xí)。
本文參考文檔：https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/