菜鸟手册（4）：在Jetson NANO上使用GPIO

我们使用GPIO与NVIDIA Jetson Nano上的外部设备进行通信.

介绍

关于Jetson Nano的一个好处是有一个扩展头，它对通用输入输出（GPIO）非常有用。您可能已经考虑过打开或关闭灯光作为程序的输出，或者想要从外部按钮读取按下。这就是GPIO有用的地方！

在本文中，我们将介绍如何通过打开和关闭发光二极管（LED）来控制GPIO输出。这可能是如何使用GPIO的最基本的例子之一。

您可能已经听说过，Jetson Nano上的GPIO引脚布局与Raspberry Pi（RPi）的40引脚布局兼容。此外，还有一个Jetson GPIO python库，它主要与RPi.GPIO兼容。 Jetson.GPIO预装在标准的Jetson Nano镜像包里了。

话虽如此，请注意Jetson Nano上GPIO扩展接头的电气特性与Raspberry Pi不同。特别是，Jetson Nano在GPIO引脚上的流动电流远低于RPi。

例如，RPi可以直接从GPIO引脚驱动LED，而Jetson则因为电流不足而使LED灯光昏暗。 Jetson需要一些帮助。正如您将看到的，开关晶体管正在拯救！

LED电路

零件清单

以下是我们将在此电路中使用的部分：

一个5毫米红色LED

一个P2N2222晶体管

一个330Ω电阻

一个10kΩ电阻

若干电线

一块面包板将所有东西连接在一起

关于LED

led是这样的。它们不线性地使用电流。如果任其自生自灭，它们会在一股神奇的烟雾中毁灭自己（就是烧掉啦）。但我们可以确保这不会发生。通过添加一个电阻(在这个应用程序中称为限流电阻)，我们将限制LED能够绘制的电流量。我们根据欧姆定律选择电阻。

天啊！ 数学 …

电子学的基本规则之一是欧姆定律。 你可能听说过它。

欧姆定律的简述是：在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。

“这对我们意味着什么?”简而言之，我们可以通过巧妙地选择一个合适的电阻，来设定LED实际可吸收电流的上限。这是因为电阻的电流值与所施加的电压成正比。我们只需要知道一些关于LED的事情就可以计算出合适的电阻值。

首先，LED有所谓的正向电压，这基本上是阴极和阳极之间的最小电压差，你需要供应给LED。我们需要计算的另一件事是正向电流这是LED能够连续处理的最大电流量。

本例中的LED正向电流为20mA，正向电压为2.0V。我们将使用Jetson Nano 5V引脚驱动LED，所以我们从5V中减去正向电压，然后除以20mA (0.020A)，就像欧姆定律告诉我们的那样:

我们得到150Ω的结果，这是流过这个特定LED安全的最大电流量的值。 这里有几点需要注意。 首先，电阻没有150Ω。 即使有做，它们也有一些内在的公差，这表明它们可能与实际规定的阻力有一些差异。 这通常是一小部分，但较小的廉价电阻可能约为20％！ 这意味着对于额定值为150Ω的电阻，电阻可以在120-180Ω的范围内。

但以最大电流运行LED会影响其寿命。 通常，人们最终会使用220和470Ω之间的电阻来实现此应用。 我们将使用通用的330Ω。

关于这个晶体管

这样就能保护我们的LED小朋友了。但是正如我们所说的，由于Jetson Nano GPIO引脚不够强大，不足以单独驱动LED，所以需要一些帮助。我们将使用晶体管作为开关，为LED提供电流。

晶体管放大能力。我们将使用双极结晶体管(BJT)。BJTs有两种：PNP和NPN。我们将使用NPN晶体管，这是大多数低功耗开关电路所使用的。

我们正在制造最基本的晶体管开关电路。一个普通的开关需要一个机械装置来物理地启动电路。我们这里的开关将由电流控制从Jetson GPIO引脚发送到晶体管。来自Jetson的控制信号流入晶体管基座，发射极与地面连接，输出端与集电极相连。

电路

这是我们将使用的电路示意图:

L1是我们的5V LED

R1是LED的限流电阻

Q1是我们一直在讨论的晶体管，P2N2222

R2是基准电阻，它可以告知电路中有多少电流流过。

对于该电路，请使用NPN BJT晶体管

计算晶体管位

还有一点神秘感。当Jetson GPIO为低电平（0V）时，晶体管处于截止模式。它看起来像集电极和发射极之间的开路。

然而，有大量的电流施加到基极，此时晶体管开始“饱和”。这就像集电极和发射极之间的短路一样。那时，电流流动，我们的LED亮起来，一切都很美好和快乐。

在我们的示例中，基极电流由位于Jetson GPIO引脚和晶体管基极之间的基极电阻决定。基极电阻的功能与LED上的限流电阻大致相同。注意，晶体管的饱和度由电流决定，而不是由BJT中的电压决定。

需要更多的数学来确定基本电阻应该是什么值。

还有一个小技巧。我们需要再用一次欧姆定律。我们知道Jetson的GPIO是3.3v。除以0.00020a得到电阻，对吧?不。结果是，在我们需要考虑的基极和发射极之间有0.7V的落差。这种下降是由于晶体管基极到发射极的N-P结造成的。所以:

在该电路中，基极电阻的13000Ω值是集电极可以达到20mA的最大电阻。

您会注意到，在我们的电路中，我们使用的是10kΩ电阻而不是13kΩ。 这有几个原因。 首先，我们知道由于早期的限制电阻，LED不会吸收超过20mA的电流。 其次，13kΩ不是常见的电阻值，因此我们需要替代。 如果你想要安全，你会倾向于增大而不是减少。

布线

现在我们准备好把所有东西连接起来，让它旋转。LED和晶体管的电流都是单向流动的，并且都有正极和负极。对于LED来说，+是阳极，-是阴极。在一个5mm的LED上，正极通常有一个较长的腿，而负极通常在灯泡的边缘有一个平坦的点。

对于晶体管，集电极在正极，发射极在负极。引脚的排列取决于所选的特定零件。

根据上面的原理图，这里有一个接线图:

你需要检查你的晶体管。收集器、基极和发射器是不同的，这取决于您拥有的部件号。这里用的是P2N2222。我们将在Jetson上的引脚2上把红线连接到+5V，在引脚6上把黑线连接到GND，在引脚12上把晶体管基座连接到基极电阻上。下面的演示示例选择Pin 12。

软件

一旦一切都连接好了，我们就可以运行一些软件来让LED眨眼了。

我们可以从命令行控制我们的LED。以下是一些有用的命令:

# Map GPIO Pin # gpio79 is pin 12 on the Jetson Nano $ echo 79 > /sys/class/gpio/export # Set Direction $ echo out > /sys/class/gpio/gpio79/direction # Bit Bangin'! $ echo 1 > /sys/class/gpio/gpio79/value $ echo 0 > /sys/class/gpio/gpio79/value # Unmap GPIO Pin $ echo 79 > /sys/class/gpio/unexport # Query Status $ cat /sys/kernel/debug/gpio

在上面的代码中，79指的是Linux sysfs GPIO的gpio79。如果我们看一下Jetson Nano J41的Pinout，我们可以看到gpio79实际上是pin 12。

主要：除了电源引脚、地引脚、IIC和UART的引脚外，其他的所有插针引脚，在默认的Jetson配置下，都是GPIO。插针引脚边上的其他名字，则对应了当用户对设备树做出更改和重新映射引脚后，各自的推荐（特殊功能）用途。

Lady插一句：

这里有三点需要说的：

（1）大部分的器件的引荐要么做GPIO，要么具有特殊功能。

（2）特殊功能往往可以被重新映射，例如UART2（假设的）可以被映射到某3个引脚上，也可以被映射到另外的其他地方。很多板子在生产的时候，首选的映射位置会在电路板上标明。（但也有板子会标明所有的可选映射位置）。

（3）本文说明了默认配置下都是GPIO，但用户可以通过修改设备树的方式进行重新映射和功能指定。

为了能够访问GPIO引脚，您需要具有适当的权限。这可以通过两种方式实现。首先，可以从超级用户终端运行命令。打开终端执行:

$ sudo su

然后就可以使用正确的权限执行命令。此外，可以将权限分配给您所属的组。这通常是由:

$ sudo groupadd -f -r gpio $ sudo usermod -a -G gpio your_user_name

通过将99-gpio.rules文件复制到rules.d目录来安装自定义udev规则：

$ sudo cp /opt/nvidia/jetson-gpio/etc/99-gpio.rules /etc/udev/rules.d/

请注意，对于要执行的新规则，您可能需要通过发出以下命令来重新引导或重新加载udev规则：

sudo udevadm control --reload-rules && sudo udevadm trigger

这个顺序来自Jetson- gpio Python库文档，它安装在默认的Jetson Nano镜像中:/opt/nvidia/ Jetson- gpio/doc/README.txt。

Jetson.GPIO Python库

有一个适用于Python的官方Jetson.GPIO库。 Jetson.GPIO库旨在与RPi.GPIO兼容。 我们可以运行Sample以获得简单的输出来控制我们的LED：

$ cd / opt / nvidia / jetson-gpio / samples

$ sudo ./run_samples.sh simple_out.py

run_samples.sh脚本设置Jetson.GPIO库的路径，并调用simple_out.py来点亮连接到GPIO头上的PIN 12的LED。

这只是触及Jetson.GPIO库，实际可用的比这更丰富。

结论

虽然打开和关闭LED似乎很多步骤，但我们现在有了通过Jetson GPIO header 控制外部设备的基础。