张高兴的 .NET Core IoT 入门指南:(二)GPIO 的使用

什么是 GPIO

GPIO 是 General Purpose Input Output 的缩写,即“通用输入输出”。 Raspberry Pi 有两行 GPIO 引脚, Raspberry Pi 通过这两行引脚进行一些硬件上的扩展,与传感器进行交互等等。

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引脚图

简单的讲,每一个 GPIO 引脚都有两种模式:输出模式(OUTPUT)和输入模式(INPUT)。输出模式类似于一个电源,Raspberry Pi 可以控制这个电源是否向外供电,比如打开外部的 LED 小灯,当然最有用的还是向外部设备发送信号。输入模式相当于电源的阴极,还是以 LED 小灯为例,只不过这次 LED 小灯的阳极接着外部电源,一个电路只有产生电压差时才会有电流,因此要想让小灯亮需要让电流流入 Raspberry Pi 中。和输出模式相反,输入模式是接收外部设备发来的信号。

GPIO 通常采用标准逻辑电平,即高电平和低电平,用二进制 0 和 1 表示。在这两值中间还有阈值电平,即高电平和低电平之间的界限。 Arduino 会将 -0.5 ~ 1.5 V 读取为低电平,3 ~ 5.5 V 读取为高电平, Raspberry Pi 未查到相关资料。GPIO 还可用于中断请求,即设置 GPIO 为输入模式,值达到相应的要求时进行中断。

相关类(Class)

此处默认各位是面向对象的程序员,具有一定的 C# 基础,这里只介绍本人认为常用的方法,介绍将以代码注释的形式体现。

GPIO 操作主要依赖于两个类: GpioControllerGpioPin 。这两个类位于 System.Devices.Gpio 名称空间下。

GpioController

// GpioController 即 GPIO 控制器
// GPIO 引脚依靠 GpioController 初始化
public class GpioController : IDisposable
{
    // 构造函数
    /* PinNumberingScheme 即引脚编号方案,是一个枚举类型,包含 Board 和 Gpio 两个值。 
     * 可以看上方的 Raspberry Pi 引脚图,以 GPIO 17 为例,如果实例化时选 Gpio ,那么打开引脚时需要填写 17。
     * 如果实例化时选 Board ,那么打开引脚时需要填写右侧灰色方框内的值,即 11 。
    */
    public GpioController(PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);
    // 第二个构造函数中的 GpioDriver 应该是用于扩展的,一般还是用 Raspberry Pi 默认的 GPIO 驱动。
    public GpioController(GpioDriver driver, PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);

    // 属性
    // 获取已打开的所有 GPIO 引脚
    public IEnumerable<GpioPin> OpenPins { get; }

    // 方法
    // 打开 GPIO 引脚,pinNumber 需要填写和 PinNumberingScheme 相对应的值。
    public GpioPin OpenPin(int pinNumber);
    // 关闭 GPIO 引脚
    public void ClosePin(int pinNumber);
    public void ClosePin(GpioPin pin);
    // 判断某个引脚是否打开
    // 注意:引脚连续打开会抛出异常
    public bool IsPinOpen(int pinNumber); 
}

GpioPin

// GpioPin 表示单个的引脚实体
// 需要通过 GpioController.OpenPin() 获取
public class GpioPin : IDisposable
{
    // 属性
    // 一个去抖时间,即在此时间间隔引脚电平变化,不触发 ValueChanged 事件
    public TimeSpan DebounceTimeout { get; set; }

    // 事件
    // 引脚电平变化时触发
    public event EventHandler<PinValueChangedEventArgs> ValueChanged;

    // 方法
    // 读取当前引脚电平
    public PinValue Read();
    // 向引脚写入指定电平
    public void Write(PinValue value);
}

人体红外传感器实验

示例地址:https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/PIR

人体红外传感器是基于周围区域的红外热来检测运动的,也称被动红外传感器(Passive Infra-Red, PIR)。

这里使用的是 HC-SR501 。当传感器检测到人体时,LED 小灯亮,当传感器未检测到人体时,LED 小灯灭。

传感器图像

HC-SR501

硬件

名称

数量

HC-SR501

x1

LED 小灯

x1

220 Ω 电阻

x1

杜邦线

若干

电路

HC-SR501

  • VCC - 5V
  • GND - GND
  • OUT - GPIO 17

LED

  • VCC & 220 Ω resistor - GPIO 27
  • GND - GND

代码

  1. 打开 Visual Studio ,新建一个 .NET Core 控制台应用程序,项目名称为“PIR”。
  2. 引入 System.Devices.Gpio NuGet 包。
  3. 新建类 HCSR501,替换如下代码(此处略有精简,只为必要的代码,不包含自定义事件,详细可查看提供的示例): public class HCSR501 : IDisposable { private GpioPin sensor; private readonly int pinOut; /// <summary> /// 构造函数 /// </summary> /// <param name="pin">OUT Pin</param> public HCSR501(int pin) { pinOut = pin; } /// <summary> /// 初始化 /// </summary> public void Initialize() { // 实例化 GpioController GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio); // 打开引脚,设置模式为输入模式 sensor = controller.OpenPin(pinOut, PinMode.Input); } /// <summary> /// 读取 /// </summary> /// <returns>是否检测到人体</returns> public bool Read() { // 当电平为高时,认为检测到人体 if (sensor.Read() == PinValue.High) { return true; } else { return false; } } }
  4. Program.cs 中,将主函数代码替换如下: static void Main(string[] args) { // get the GPIO controller // 获取 GPIO 控制器 GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio); // open PIN 27 for led // 为 led 打开引脚 27 GpioPin led = controller.OpenPin(27, PinMode.Output); // initialize PIR sensor // 初始化传感器 HCSR501 sensor = new HCSR501(17); sensor.Initialize(); // loop // 循环 while (true) { if (sensor.Read() == true) { // turn the led on when the sensor detected infrared heat // 当传感器检测到热量时打开 led led.Write(PinValue.High); Console.WriteLine("Detected! Turn the LED on."); } else { // turn the led off when the sensor undetected infrared heat // 当传感器未检测到热量时关闭 led led.Write(PinValue.Low); Console.WriteLine("Undetected! Turn the LED off."); } // wait for a second // 等待 1s Thread.Sleep(1000); } }
  5. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

  如何改进?

剔除主函数循环,尝试在自定义事件中进行检测,即 GpioPin 的 ValueChanged 事件。


  备注

下一篇文章将谈谈 IIC 总线的使用。

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