树莓派GPIO控制

陈拓  2018.06.09/2018.06.10

0.  概述

本文介绍树莓派 Zero W的GPIO控制，并用LED看效果。也适宜于树莓派3B+。

0.1 树莓派GPIO编号方式

  • 功能物理引脚

从左到右，从上到下：左边奇数，右边偶数：1-40

  • BCM

编号侧重CPU寄存器，根据BCM2835的GPIO寄存器编号。

  • wiringPi

编号侧重实现逻辑，把扩展GPIO端口从0开始编号，这种编号方便编程。如图 WiringPi一栏。

操作GPIO时一定先要清楚使用那一套编号。

1.  准备

1.1 硬件

  • 树莓派Pi Zero W
  • LED（3mm或5mm）
  • 1KΩ电阻
  • 杜邦线3根
  • 电脑（我用Windows 7）

1.2 GPIO接口

1.3 接线

首先我们把LED和树莓派连接。LED的正极串联一个1KΩ电阻接树莓派的GPIO18(pin12)，负极接地。

2.  测试

2.1 连接电脑和树莓派


用putty连接电脑和树莓派3B+（或者Pi Zero W），看本文最后的参考文档。Host Name填raspberrypi.local，端口22，用户名pi，密码raspberry。

注意：boot分区有一个名为ssh的空文本文件，这个ssh文件容易丢失，如果ssh不能登录了，先检查ssh是否丢失。

2.2 用Shell命令直接控制GPIO


使GPIO18从内核空间暴露到用户空间中
pi@raspberrypi:~ $ sudo echo 18 >/sys/class/gpio/export

> 是IO重定向符号，IO重定向是指改变linux标准输入和输出的默认设备，指向一个用户定义的设备。echo 18 > export就是把18写入到export文件中。

执行该操作之后，/sys/class/gpio目录下会增加一个gpio18文件夹。

查看GPIO18引脚（在Liunx中设备都以文件的形式，引脚也是设备）
pi@raspberrypi:~ $ cd/sys/class/gpio/gpio18

pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $ ls

设置GPIO18为输出模式
pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $sudo echo out > direction

向value文件中输入1，GPIO输出高电平，LED点亮
pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $sudo echo 1 > value

向value文件中输入0，GPIO输出低电平，LED熄灭
pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $sudo echo 0 > value

返回家目录
pi@raspberrypi:/sys/class/gpio $ cd ~

注销GPIO18接口
pi@raspberrypi:~ $ sudo echo 18 > /sys/class/gpio/unexport

2.3 用Shell脚本控制GPIO

新建一个名为ledonoff.sh的脚本。
pi@raspberrypi:~ $sudo nano ledonoff.sh

脚本写下面的内容：

echo $1 > /sys/class/gpio/export

echo out > /sys/class/gpio/gpio$1/direction

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

sleep 5   #延时5秒

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

echo $1 > /sys/class/gpio/unexport

说明：shell脚本可传入参数，例如$1代表第1个参数，$2代表第2个参数，以此类推。

为ledonoff.sh添加可执行权限
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +xledonoff.sh

运行脚本
pi@raspberrypi:~ $ sudo ./ledonoff.sh 18

运行结果：LED点亮，持续5秒钟关闭。

2.4 用Python通过PRI.GPIO命令控制GPIO

用Python控制GPIO，最便捷的方法就是使用python类库，比如树莓派系统本身集成的RPi.GPIO。

在putty的ssh终端输入命令：

进入python交互界面
pi@raspberrypi:~ $ python

>>> 这是python的提示符。

导入python类库RPi.GPIO，命名为别名为GPIO
>>> import RPi.GPIO as GPIO

引入之后，就可以使用 GPIO 模块的函数了。

设置BOARD编码方式，基于BCM
树莓派3 GPIO有三种编码方式：物理引脚BOARD编码，BCM编码，以及 wiringPi 编码。

>>> GPIO.setmode(GPIO.BCM)

输出模式
>>> GPIO.setup(18,GPIO.OUT)

GPIO18输出高电平，LED点亮
>>> GPIO.output(18,GPIO.HIGH)

GPIO18输出低电平，LED熄灭
>>> GPIO.output(18,GPIO.LOW)

用完后进行清理
>>> GPIO.cleanup()

退出python交互界面
>>> Ctrl+D

2.5 用Python脚本控制GPIO

新建一个名为blinky.py的脚本。
pi@raspberrypi:~ $sudo nano blinky.py

脚本写下面的内容：

import RPi.GPIO as GPIO

import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(18,GPIO.OUT)

while True:

   GPIO.output(18,GPIO.HIGH)

   time.sleep(1)

   GPIO.output(18,GPIO.LOW)

   time.sleep(1)

GPIO.cleanup()

说明：while True下面的循环体要缩进，用空格或Tab（但不能混用）键缩进就行。

为blinky.py添加可执行权限
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x blinky.py

运行Python脚本
pi@raspberrypi:~ $ sudo python blinky.py

LED闪烁。

停止运行
用 Ctrl+C 来中断循环。

3.  借助wiringPi GPIO用C语言控制GPIO

树莓派内核中已经编译自带了gpio的驱动，我们常通过一些第三方写好的库函数来完成具体的操作，比较常见的操作库函数有：

Python GPIO
Python GPIO已经集成到了树莓派内核，为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。

常见C语言库有：

wiringPi (http://wiringpi.com/)
wiringPi适合那些具有C语言基础，在接触树莓派之前已经接触过单片机或者嵌入式开发的人群。wiringPi的API函数和arduino非常相似，这也使得它广受欢迎。作者给出了大量的说明和示例代码，这些示例代码也包括UART设备，I2C设备和SPI设备等。

BCM2835 C Library (http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/)
BCM2835 C Library可以理解为使用C语言实现的相关底层驱动，BCM2835C Library的驱动库包括GPIO. SPI和UART等，可以通过学习BCM2835 C Library熟悉BCM2835相关的寄存器操作。如果有机会开发树莓派上的linux驱动，或自主开发python或PHP扩展驱动，可以从BCM2835 C Library找到不少的“灵感”。

3.1 WiringPi GPIO安装


WiringPi是应用于树莓派平台的GPIO控制库函数，WiringPi遵守GUN Lv3。wiringPi使用C或者C++开发并且可以被其他语言包转，例如python、ruby或者PHP等。

wiringPi包括一套gpio控制命令，使用gpio命令可以控制树莓派GPIO管脚。用户可以利用gpio命令通过shell脚本控制或查询GPIO管脚。

wiringPi安装
更新列表：

pi@raspberrypi:~ $sudo apt-get update

更新软件：

pi@raspberrypi:~ $sudo apt-get upgrade

安装：

pi@raspberrypi:~ $sudo apt-get install wiringpi

测试
wiringPi包括一套gpio命令，使用gpio命令可以控制树莓派上的各种接口，通过以下指令可以测试wiringPi是否安装成功。

pi@raspberrypi:~ $ gpio -v

  • 查看GPIO图

pi@raspberrypi:~ $ gpio readall

3.2 编写代码

新建一个名为led_blink.c的源程序
pi@raspberrypi:~ $sudo nano led_blink.c

内容如下
#include <wiringPi.h>

int main(void) {
   wiringPiSetup();

   pinMode (1, OUTPUT);

   for(;;) {
       digitalWrite(1, HIGH);delay (500);

       digitalWrite(1, LOW);delay (500) ;

    }

}

说明：看看上一小节的图，BCM编号的GPIO18引脚在wiringPi编号中是1。

3.3 编译运行

编译
pi@raspberrypi:~ $ gcc led_blink.c -oled_blink -l wiringPi

-l wiringPi表示动态加载wiringPi共享库。

运行
pi@raspberrypi:~ $ sudo ./led_blink

用 Ctrl+C 来中断循环。

4.  借助BCM2835 C Library用C语言控制GPIO

4.1 下载安装

先看看最新版本：http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835

下载bcm2835-1.56.tar.gz
pi@raspberrypi:~ $ wgethttp://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.56.tar.gz

解压缩
pi@raspberrypi:~ $ tar xvzfbcm2835-1.56.tar.gz

配置编译
进入压缩之后的目录:

pi@raspberrypi:~ $ cd bcm2835-1.56

执行配置命令：

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ ./configure

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ make

执行检查
pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ sudo makecheck

安装bcm2835库:
pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ sudo makeinstall

4.2 编写代码

新建一个名为blink_led.c的源程序
pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56$ cd ~

pi@raspberrypi:~ $sudo nano blink_led.c

内容如下
#include <bcm2835.h>

#define PIN RPI_GPIO_P1_12

int main(int argc, char **argv) {
   if (!bcm2835_init())

       return 1;

   bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);

   while (1) {
       bcm2835_gpio_write(PIN, HIGH);

       bcm2835_delay(500);

       bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);

       bcm2835_delay(500);

    }

   bcm2835_close();

   return 0;

}

说明：GPIO的编号方式不同，采用PCB板的物理接口编号，led连在树莓派Zero W板子的12引脚上。

4.3 编译运行

  • 编译

pi@raspberrypi:~ $ gcc blink_led.c -oblink_led -l bcm2835

-l bcm2835表示动态加载bcm2835共享库

  • 运行

sudo ./blink_led

用 Ctrl+C 来中断循环。

5. 用Node.js控制GPIO

见《树莓派连接阿里云物联网平台-属性(nodejs)》

https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/103705694

6. 引脚复用

通过设置改变引脚的功能，见参考文档“树莓派Zero W添加音频输出”。

参考文档

1. 树莓派介绍  树莓派介绍_晨之清风-CSDN博客_树莓派简介

2. 电脑连接树莓派Zero W 电脑连接树莓派Zero W_晨之清风-CSDN博客_树莓派zerow

3. 电脑连接树莓派3B+ 电脑连接树莓派3B+_晨之清风-CSDN博客_电脑连接树莓派3b

4. 树莓派Zero W+温度传感器DS18B20  树莓派+温度传感器DS18B20_晨之清风-CSDN博客_树莓派 温度传感器

5. 树莓派Zero W添加音频输出  树莓派Zero W添加音频输出_晨之清风-CSDN博客_树莓派 音频

6. 树莓派GPIO控制--C语言篇树莓派GPIO控制--C语言篇_hu7850的博客-CSDN博客_树莓派c语言控制gpio

7. 远程控制通讯——基于树莓派 Python gpiozero 远程控制LED灯并返回控制结果https://blog.csdn.net/NCTU_to_prove_safety/article/details/65446454

8. RPi Low-level peripherals
https://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals

9. 樹莓派+溫度感測器實現室內溫度監控：http://shumeipai.nxez.com/2013/10/03/raspberry-pi-temperature-sensor-monitors.html

10.  Raspberry Pi Temperature Sensor
http://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/temperature/