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树莓派的GPIO编程

Vamei

发布于 2018-01-18 08:45:01

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树莓派除了提供常见的网口和USB接口，还提供了一组GPIO（General Purpose Input/Output）接口。这组GPIO接口大大拓展了树莓派的能力。GPIO不仅能实现通信，还能直接控制电子元器件，从而让用户体验到硬件编程的乐趣。

GPIO简介

在树莓派3上，GPIO接口由40个针脚（PIN）组成。每个针脚都可以用导线和外部设备相连。你可以通过焊接的方式来把导线固定在PIN上，也可以用母型的跳线套接在PIN上。

跳线

40个PIN中，有固定输出的5V（2、4号PIN）、3.3V（1、17号PIN）和地线（Ground，6、9、14、20、25、30、34、39）。如果一个电路两端接在，5V和地线之间，该电路就会获得5V的电压输入。27和28号PIN标着ID_SD和ID_SC。它们是两个特殊的PIN。它们属于ID EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 接口，用于和拓展树莓派功能的附加电路板通信。其他的PIN大多编程GPIOX的编号，如GPIO14。树莓派的操作系统中，会用GPIO的编号14来指代这个PIN，而不是位置编号的8。有一些PIN除了GPIO功能外，还提供了高级端口功能。比如说，GPIO14和GPIO15就同时可以充当UART端口。此外，GPIO上还能找到I2C和SPI端口。

树莓派3的GPIO针脚

在计算机中，通常用高、低两个电压来表示二进制的1和0。树莓派也是如此。GPIO用相同的方式来表示数据。每个GPIO的PIN都能处于输入或输出状态。当处于输出状态时，系统可以把1或0传给该PIN。如果是1，那么对应的物理PIN向外输出3.3V的高电压，否则输出0V的低电压。相应的，处于输入状态的PIN可以探测物理PIN上的电压。如果是高电压，那么该PIN将向系统返回1，否则返回0。就是利用上述简单机制，GPIO实现了和物理电路的互动。

控制LED灯

我们先来看GPIO输出的一个例子。我们在GPIO21和地线之间接了一个串联电路。电路上有一个LED灯，还有一个用于防止短路的330欧电阻。当GPIO21位于高电平时，将有电流通过电路，从而点亮LED灯。

我们用bash命令来控制GPIO21。在Linux中，外部设备经常被表示成文件。向文件写入或读取字符，就相当于向设备输出或者从设备输入字符。树莓派上的GPIO端口也是如此，其代表文件位于/sys/class/gpio/下。首先，激活GPIO21:

echo 21 > /sys/class/gpio/export

这个命令的意思，是把字符"21"输入到/sys/class/gpio/export。可以看到，命令执行后，/sys/class/gpio/下面增加了代表GPIO21的一个目录，目录名就是gpio21。下一步，我们把GPIO21置于输出状态：

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

文件/sys/class/gpio/gpio21/direction用于控制GPIO21的方向。我们向里面写入了代表输出的字符"out"。最后，向GPIO21写入1，从而让PIN处于高电压：

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

可以看到，LED灯亮了起来。如果想关掉LED灯，只需要向GPIO21写入0：

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

使用完毕GPIO21，可以删除该端口：

echo 21 > /sys/class/gpio/unexport

/sys/class/gpio/gpio21随即消失。

两个树莓派之间的GPIO

我们可以用GPIO的方式连接两个树莓派。一个树莓派的GPIO输出，将成为另一个树莓派的GPIO输入。连接方式很简单，只需要2根导线。一个导线连接两个树莓派的地线，另一根导线连接树莓派的两个PIN：

我们用左侧的树莓派来输出，右侧树莓派来输入。输出过程和上面控制LED灯的例子相似。在第一个树莓派中的GPIO21准备输出：

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

在第二个树莓派中，准备好读取GPIO26：

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

当我们往/sys/class/gpio/gpio26中写入"in"时，就把GPIO26置于输入状态。

此后，在第一个树莓派中，就可以更改输出值为1或0：

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

在第二个树莓派中，可以用cat命令来读取文件，获得输入值：

cat /sys/class/gpio/gpio26/value

由于cat命令读完一次后会返回。为了持续读取，我们可以用bash中的无限循环，来反复调用cat：

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

随着第一个树莓派中输出的改变，第二个树莓派获得的输入也随之改变。我们在两个树莓派之间实现了简单的通信。

最后，在使用完GPIO后，别忘了删除端口。

UART编程

计算机的数据都是许多位的0和1构成的序列。尽管GPIO可以在0和1之间切换，但并不能准确地分割出位。比如说，我们把一个二进制序列11000111输出到GPIO端口，那么在输入端看来，只是输入了一段时间的1，然后变成0，然后又变成1。输入端没法准确说出，一段高电平输入究竟包好了几位1。

一个解决方案是用多个PIN同时通信，每个PIN表示一位。当输入端读取完成后，通知输出端，让输出端送来下面一批的数据。这种通信方式被称为并口传输。和并口对应的是串口传输。传输时依然是用一个PIN，但输入方可以知道一位的数据持续了多长时间。GPIO上的UART、I2C、SPI都是串口通信。

UART与其余两者的区别在于，通信双方通过事先约定的速率来发送或接受数据。这种通信方式称为异步通信。在I2C和SPI这样的同步通信方式，会用额外的连线来保证双方速率相同。UART的连线和实现方式很简单，成为最流行的串口通信方式。但UART的缺点在于，如果发送方和接收方的速率不同，那么通信就会发生错误。通信速率就称为“波特率”（baudrate），单位是每秒通信的位数（bps）。

UART的端口至少有RX、TX和地线三个针脚。RX负责读取，TX负责输出。如果有两个UART端口，它们的连接方式如下：

在树莓派3的情况下，TX和RX就是GPIO14和GPIO15针脚。因此，我们可以把两个树莓派之间按照上图的方式连接起来，然后在两个树莓派之间实现UART通信。

在这里，我们要注意树莓派3发生的一点变化。树莓派1和2中都使用了标准的UART，在操作系统中的对应文件是/dev/ttyAMA0。在树莓派3中，新增的蓝牙模块占用了标准UART端口和树莓派沟通，外部的UART通信采用了简单的Mini UART，在操作系统中的对应文件是/dev/ttyS0。由于mini UART的波特率依赖于CPU时钟频率，而CPU频率可能在运行过程中浮动，因此mini UART经常会带来意向不到的错误。一般有两种解决方案有。一种是关闭蓝牙模块，让外部连接重新使用标准UART端口。另一种是固定CPU时钟频率，以便mini UART能以准确的波特率进行通信。

关闭蓝牙模块，需要修改/boot/config.txt，在文件末尾增加：

dtoverlay=pi3-disable-bt

修改后重启。此后的UART通信，就可以通过/dev/ttyAMA0进行。

如果是采取第二种解决方案，还是要修改/boot/config.txt，上面的修改变成：

core_freq=250
dtoverlay=pi3-miniuart-bt

修改后重启。此后的UART通信，就可以通过/dev/ttyS0进行。

我们以第一种解决方案为例，进行UART通信。设定波特率：

stty -F /dev/ttyAMA0 9600

输出文本：

echo "hello" > /dev/ttyAMA0

读取文本：

cat /dev/ttyAMA0

如果使用第二种解决方案，那么只需要把上面的/dev/ttyAMA0改为/dev/ttyS0。

可以看到，UART可以实现更加复杂的文本通信。

用UART连接PC

一般的PC都没有暴露在外的UART针脚。为了通过UART来连接PC和树莓派，我们需要一个USB和UART的转换器。这个转换器的一端是USB接口，另一端是UART的针脚。我们把USB一端插入到PC。另一端按照UART到UART的方式，连接到树莓派的UART针脚。

连接好之后，就可以在PC上，利用串口操作软件来和树莓派通信。在Linux下，USB连接表示为/dev/ttyUSB0。当然，当计算机上只有1个USB设备时，最后的编号才会是0。而在我的Mac OSX上，该USB连接被表示成/dev/cu.SLAB_USBtoUART。此后，就可以通过操作USB文件来进行UART通信。在Windows下，也有现成的进行串口通信的图形化软件。