樹莓派的GPIO編程

做者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 嚴禁轉載。 

 

樹莓派除了提供常見的網口和USB接口 ，還提供了一組GPIO（General Purpose Input/Output）接口。這組GPIO接口大大拓展了樹莓派的能力。GPIO不只能實現通訊，還能直接控制電子元器件，從而讓用戶體驗到硬件編程的樂趣。

 

GPIO簡介

在樹莓派3上，GPIO接口由40個針腳（PIN）組成。每一個針腳均可以用導線和外部設備相連。你能夠經過焊接的方式來把導線固定在PIN上，也能夠用母型的跳線套接在PIN上。

跳線

 

40個PIN中，有固定輸出的5V（二、4號PIN）、3.3V（一、17號PIN）和地線（Ground，六、九、1四、20、2五、30、3四、39）。若是一個電路兩端接在，5V和地線之間，該電路就會得到5V的電壓輸入。27和28號PIN標着ID_SD和ID_SC。它們是兩個特殊的PIN。它們屬於ID EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 接口，用於和拓展樹莓派功能的附加電路板通訊。其餘的PIN大多編程GPIOX的編號，如GPIO14。樹莓派的操做系統中，會用GPIO的編號14來指代這個PIN，而不是位置編號的8。有一些PIN除了GPIO功能外，還提供了高級端口功能。好比說，GPIO14和GPIO15就同時能夠充當UART端口。此外，GPIO上還能找到I2C和SPI端口。

 

   

樹莓派3的GPIO針腳

在計算機中，一般用高、低兩個電壓來表示二進制的1和0。樹莓派也是如此。GPIO用相同的方式來表示數據。每一個GPIO的PIN都能處於輸入或輸出狀態。當處於輸出狀態時，系統能夠把1或0傳給該PIN。若是是1，那麼對應的物理PIN向外輸出3.3V的高電壓，不然輸出0V的低電壓。相應的，處於輸入狀態的PIN能夠探測物理PIN上的電壓。若是是高電壓，那麼該PIN將向系統返回1，不然返回0。就是利用上述簡單機制，GPIO實現了和物理電路的互動。

 

控制LED燈

咱們先來看GPIO輸出的一個例子。咱們在GPIO21和地線之間接了一個串聯電路。電路上有一個LED燈，還有一個用於防止短路的330歐電阻。當GPIO21位於高電平時，將有電流經過電路，從而點亮LED燈。

咱們用bash命令來控制GPIO21。在Linux中，外部設備常常被表示成文件。向文件寫入或讀取字符，就至關於向設備輸出或者從設備輸入字符。樹莓派上的GPIO端口也是如此，其表明文件位於/sys/class/gpio/下。首先，激活GPIO21:

echo 21 > /sys/class/gpio/export 

這個命令的意思，是把字符"21"輸入到/sys/class/gpio/export。能夠看到，命令執行後，/sys/class/gpio/下面增長了表明GPIO21的一個目錄，目錄名就是gpio21。下一步，咱們把GPIO21置於輸出狀態：

echo out > /sys/class/gpio/gpio21/direction

文件/sys/class/gpio/gpio21/direction用於控制GPIO21的方向。咱們向裏面寫入了表明輸出的字符"out"。最後，向GPIO21寫入1，從而讓PIN處於高電壓：

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio21/value

能夠看到，LED燈亮了起來。若是想關掉LED燈，只須要向GPIO21寫入0：

echo 0 > /sys/class/gpio/gpio21/value

使用完畢GPIO21，能夠刪除該端口：

echo 21 > /sys/class/gpio/unexport

/sys/class/gpio/gpio21隨即消失。

 

兩個樹莓派之間的GPIO

咱們能夠用GPIO的方式鏈接兩個樹莓派。一個樹莓派的GPIO輸出，將成爲另外一個樹莓派的GPIO輸入。鏈接方式很簡單，只須要2根導線。一個導線鏈接兩個樹莓派的地線，另外一根導線鏈接樹莓派的兩個PIN：

咱們用左側的樹莓派來輸出，右側樹莓派來輸入。輸出過程和上面控制LED燈的例子類似。在第一個樹莓派中的GPIO21準備輸出：

echo 21 > /sys/class/gpio/export echo out > /sys/class/gpio/gpio21/direction

在第二個樹莓派中，準備好讀取GPIO26：

echo 26 > /sys/class/gpio/export echo in > /sys/class/gpio/gpio26/direction

當咱們往/sys/class/gpio/gpio26中寫入"in"時，就把GPIO26置於輸入狀態。

 

此後，在第一個樹莓派中，就能夠更改輸出值爲1或0：

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio21/value echo 0 > /sys/class/gpio/gpio21/value

 

在第二個樹莓派中，能夠用cat命令來讀取文件，得到輸入值：

cat /sys/class/gpio/gpio26/value

因爲cat命令讀完一次後會返回。爲了持續讀取，咱們能夠用bash中的無限循環，來反覆調用cat：

while true; do cat /sys/class/gpio/gpio26/value; done

隨着第一個樹莓派中輸出的改變，第二個樹莓派得到的輸入也隨之改變。咱們在兩個樹莓派之間實現了簡單的通訊。

最後，在使用完GPIO後，別忘了刪除端口。

 

UART編程

計算機的數據都是許多位的0和1構成的序列。儘管GPIO能夠在0和1之間切換，但並不能準確地分割出位。好比說，咱們把一個二進制序列11000111輸出到GPIO端口，那麼在輸入端看來，只是輸入了一段時間的1，而後變成0，而後又變成1。輸入端無法準確說出，一段高電平輸入究竟包好了幾位1。

一個解決方案是用多個PIN同時通訊，每一個PIN表示一位。當輸入端讀取完成後，通知輸出端，讓輸出端送來下面一批的數據。這種通訊方式被稱爲並口傳輸。和並口對應的是串口傳輸。傳輸時依然是用一個PIN，但輸入方能夠知道一位的數據持續了多長時間。GPIO上的UART、I2C、SPI都是串口通訊。

UART與其他二者的區別在於，通訊雙方經過事先約定的速率來發送或接受數據。這種通訊方式稱爲異步通訊。在I2C和SPI這樣的同步通訊方式，會用額外的連線來保證雙方速率相同。UART的連線和實現方式很簡單，成爲最流行的串口通訊方式。但UART的缺點在於，若是發送方和接收方的速率不一樣，那麼通訊就會發生錯誤。通訊速率就稱爲「波特率」（baudrate），單位是每秒通訊的位數（bps）。

 

UART的端口至少有RX、TX和地線三個針腳。RX負責讀取，TX負責輸出。若是有兩個UART端口，它們的鏈接方式以下：

 

在樹莓派3的狀況下，TX和RX就是GPIO14和GPIO15針腳。所以，咱們能夠把兩個樹莓派之間按照上圖的方式鏈接起來，而後在兩個樹莓派之間實現UART通訊。

 

在這裏，咱們要注意樹莓派3發生的一點變化。樹莓派1和2中都使用了標準的UART，在操做系統中的對應文件是/dev/ttyAMA0。在樹莓派3中，新增的藍牙模塊佔用了標準UART端口和樹莓派溝通，外部的UART通訊採用了簡單的Mini UART，在操做系統中的對應文件是/dev/ttyS0。因爲mini UART的波特率依賴於CPU時鐘頻率，而CPU頻率可能在運行過程當中浮動，所以mini UART常常會帶來意向不到的錯誤。通常有兩種解決方案有。一種是關閉藍牙模塊，讓外部鏈接從新使用標準UART端口。另外一種是固定CPU時鐘頻率，以便mini UART能以準確的波特率進行通訊。

 

關閉藍牙模塊，須要修改/boot/config.txt，在文件末尾增長：

dtoverlay=pi3-disable-bt

修改後重啓。此後的UART通訊，就能夠經過/dev/ttyAMA0進行。

 

若是是採起第二種解決方案，仍是要修改/boot/config.txt，上面的修改變成：

core_freq=250
dtoverlay=pi3-miniuart-bt

修改後重啓。此後的UART通訊，就能夠經過/dev/ttyS0進行。

 

咱們以第一種解決方案爲例，進行UART通訊。設定波特率：

stty -F /dev/ttyAMA0 9600

 

輸出文本：

echo "hello" > /dev/ttyAMA0

 

讀取文本：

cat /dev/ttyAMA0

若是使用第二種解決方案，那麼只須要把上面的/dev/ttyAMA0改成/dev/ttyS0。

 

能夠看到，UART能夠實現更加複雜的文本通訊。

 

用UART鏈接PC

通常的PC都沒有暴露在外的UART針腳。爲了經過UART來鏈接PC和樹莓派，咱們須要一個USB和UART的轉換器。這個轉換器的一端是USB接口，另外一端是UART的針腳。咱們把USB一端插入到PC。另外一端按照UART到UART的方式，鏈接到樹莓派的UART針腳。

鏈接好以後，就能夠在PC上，利用串口操做軟件來和樹莓派通訊。在Linux下，USB鏈接表示爲/dev/ttyUSB0。固然，當計算機上只有1個USB設備時，最後的編號纔會是0。而在個人Mac OSX上，該USB鏈接被表示成/dev/cu.SLAB_USBtoUART。此後，就能夠經過操做USB文件來進行UART通訊。在Windows下，也有現成的進行串口通訊的圖形化軟件。

 

用UART登錄樹莓派

咱們還能夠用UART的方式鏈接並登錄樹莓派。進入樹莓派設置：

sudo raspi-config

在Interfacing Options->Serial中，容許開機時經過串口登錄。

 

重啓後，樹莓派啓動時會自動把開機信息已115200的波特率推到UART端口。在UART另外一端的PC上，若是你使用Mac OSX，那麼你能夠用下面命令鏈接：

screen /dev/cu.SLAB_USBtoUART 115200

若是PC是Linux系統，只須要把USB設備文件改成對應的設備文件便可。若是是Windows系統，還能夠用圖形化軟件。這裏再也不贅述。

 

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