树莓派的GPIO编程

作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 严禁转载。 

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。

用UART登陆树莓派

我们还可以用UART的方式连接并登陆树莓派。进入树莓派设置:

sudo raspi-config

在Interfacing Options->Serial中,允许开机时通过串口登陆。

重启后,树莓派启动时会自动把开机信息已115200的波特率推到UART端口。在UART另一端的PC上,如果你使用Mac OSX,那么你可以用下面命令连接:

screen /dev/cu.SLAB_USBtoUART 115200

如果PC是Linux系统,只需要把USB设备文件改为对应的设备文件即可。如果是Windows系统,还可以用图形化软件。这里不再赘述。

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