樹莓派的GPIO程式設計

樹莓派除了提供常見的網口和USB介面 ，還提供了一組GPIO（General Purpose Input/Output）介面。這組GPIO介面大大擴充了樹莓派的能力。GPIO不僅能實現通訊，還能直接控制電子元器件，從而讓使用者體驗到 。

 
GPIO簡介

在樹莓派3上，GPIO介面由40個針腳（PIN）組成。每個針腳都可以用導線和外部裝置相連。你可以透過焊接的方式來把導線固定在PIN上，也可以用母型的跳線套接在PIN上。

跳線

 

40個PIN中，有固定輸出的5V（2、4號PIN）、3.3V（1、17號PIN）和地線（Ground，6、9、14、20、25、30、34、39）。如果一個電路兩端接在，5V和地線之間，該電路就會獲得5V的電壓輸入。27和28號PIN標著ID_SD和ID_SC。它們是兩個特殊的PIN。它們屬於ID EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 介面，用於和擴充樹莓派功能的附加電路板通訊。其他的PIN大多程式設計GPIOX的編號，如GPIO14。樹莓派的作業系統中，會用GPIO的編號14來指代這個PIN，而不是位置編號的8。有一些PIN除了GPIO功能外，還提供了高階埠功能。比如說，GPIO14和GPIO15就同時可以充當UART埠。此外，GPIO上還能找到I2C和SPI埠。

 

   

樹莓派3的GPIO針腳

在計算機中，通常用高、低兩個電壓來表示二進位制的1和0。樹莓派也是如此。GPIO用相同的方式來表示資料。每個GPIO的PIN都能處於輸入或輸出狀態。當處於輸出狀態時，系統可以把1或0傳給該PIN。如果是1，那麼對應的物理PIN向外輸出3.3V的高電壓，否則輸出0V的低電壓。相應的，處於輸入狀態的PIN可以探測物理PIN上的電壓。如果是高電壓，那麼該PIN將向系統返回1，否則返回0。就是利用上述簡單機制，GPIO實現了和物理電路的互動。

 
控制LED燈

我們先來看GPIO輸出的一個例子。我們在GPIO21和地線之間接了一個串聯電路。電路上有一個LED燈，還有一個用於防止短路的330歐電阻。當GPIO21位於高電平時，將有電流透過電路，從而點亮LED燈。

我們用bash命令來控制GPIO21。在Linux中，外部裝置經常被表示成檔案。向檔案寫入或讀取字元，就相當於向裝置輸出或者從裝置輸入字元。樹莓派上的GPIO埠也是如此，其代表檔案位於/sys/class/gpio/下。首先，啟用GPIO21:

echo 21 > /sys/class/gpio/export

這個命令的意思，是把字元"21"輸入到/sys/class/gpio/export。可以看到，命令執行後，/sys/class/gpio/下面增加了代表GPIO21的一個目錄，目錄名就是gpio21。下一步，我們把GPIO21置於輸出狀態：

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

檔案/sys/class/gpio/gpio21/direction用於控制GPIO21的方向。我們向裡面寫入了代表輸出的字元"out"。最後，向GPIO21寫入1，從而讓PIN處於高電壓：

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

可以看到，LED燈亮了起來。如果想關掉LED燈，只需要向GPIO21寫入0：

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

使用完畢GPIO21，可以刪除該埠：

echo 21 > /sys/class/gpio/unexport

/sys/class/gpio/gpio21隨即消失。

 
兩個樹莓派之間的GPIO

我們可以用GPIO的方式連線兩個樹莓派。一個樹莓派的GPIO輸出，將成為另一個樹莓派的GPIO輸入。連線方式很簡單，只需要2根導線。一個導線連線兩個樹莓派的地線，另一根導線連線樹莓派的兩個PIN：

我們用左側的樹莓派來輸出，右側樹莓派來輸入。輸出過程和上面控制LED燈的例子相似。在第一個樹莓派中的GPIO21準備輸出：

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

在第二個樹莓派中，準備好讀取GPIO26：

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

當我們往/sys/class/gpio/gpio26中寫入"in"時，就把GPIO26置於輸入狀態。

 

此後，在第一個樹莓派中，就可以更改輸出值為1或0：

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

 

在第二個樹莓派中，可以用cat命令來讀取檔案，獲得輸入值：

cat /sys/class/gpio/gpio26/value

由於cat命令讀完一次後會返回。為了持續讀取，我們可以用bash中的無限迴圈，來反覆呼叫cat：

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

隨著第一個樹莓派中輸出的改變，第二個樹莓派獲得的輸入也隨之改變。我們在兩個樹莓派之間實現了簡單的通訊。

最後，在使用完GPIO後，別忘了刪除埠。

 
UART程式設計

計算機的資料都是許多位的0和1構成的序列。儘管GPIO可以在0和1之間切換，但並不能準確地分割出位。比如說，我們把一個二進位制序列11000111輸出到GPIO埠，那麼在輸入端看來，只是輸入了一段時間的1，然後變成0，然後又變成1。輸入端沒法準確說出，一段高電平輸入究竟包好了幾位1。

一個解決方案是用多個PIN同時通訊，每個PIN表示一位。當輸入端讀取完成後，通知輸出端，讓輸出端送來下面一批的資料。這種通訊方式被稱為並口傳輸。和並口對應的是串列埠傳輸。傳輸時依然是用一個PIN，但輸入方可以知道一位的資料持續了多長時間。GPIO上的UART、I2C、SPI都是串列埠通訊。

UART與其餘兩者的區別在於，通訊雙方透過事先約定的速率來傳送或接受資料。這種通訊方式稱為非同步通訊。在I2C和SPI這樣的同步通訊方式，會用額外的連線來保證雙方速率相同。UART的連線和實現方式很簡單，成為最流行的串列埠通訊方式。但UART的缺點在於，如果傳送方和接收方的速率不同，那麼通訊就會發生錯誤。通訊速率就稱為“波特率”（baudrate），單位是每秒通訊的位數（bps）。

 

UART的埠至少有RX、TX和地線三個針腳。RX負責讀取，TX負責輸出。如果有兩個UART埠，它們的連線方式如下：

 

在樹莓派3的情況下，TX和RX就是GPIO14和GPIO15針腳。因此，我們可以把兩個樹莓派之間按照上圖的方式連線起來，然後在兩個樹莓派之間實現UART通訊。

 

在這裡，我們要注意樹莓派3發生的一點變化。樹莓派1和2中都使用了標準的UART，在作業系統中的對應檔案是/dev/ttyAMA0。在樹莓派3中，新增的藍芽模組佔用了標準UART埠和樹莓派溝通，外部的UART通訊採用了簡單的Mini UART，在作業系統中的對應檔案是/dev/ttyS0。由於mini UART的波特率依賴於CPU時脈頻率，而CPU頻率可能在執行過程中浮動，因此mini UART經常會帶來意向不到的錯誤。一般有兩種解決方案有。一種是關閉藍芽模組，讓外部連線重新使用標準UART埠。另一種是固定CPU時脈頻率，以便mini UART能以準確的波特率進行通訊。

 

關閉藍芽模組，需要修改/boot/config.txt，在檔案末尾增加：

dtoverlay=pi3-disable-bt

修改後重啟。此後的UART通訊，就可以透過/dev/ttyAMA0進行。

 

如果是採取第二種解決方案，還是要修改/boot/config.txt，上面的修改變成：

core_freq=250
dtoverlay=pi3-miniuart-bt

修改後重啟。此後的UART通訊，就可以透過/dev/ttyS0進行。

 

我們以第一種解決方案為例，進行UART通訊。設定波特率：

stty -F /dev/ttyAMA0 9600

 

輸出文字：

echo "hello" > /dev/ttyAMA0

 

讀取文字：

cat /dev/ttyAMA0

如果使用第二種解決方案，那麼只需要把上面的/dev/ttyAMA0改為/dev/ttyS0。

 

可以看到，UART可以實現更加複雜的文字通訊。

 
用UART連線PC

一般的PC都沒有暴露在外的UART針腳。為了透過UART來連線PC和樹莓派，我們需要一個USB和UART的轉換器。這個轉換器的一端是USB介面，另一端是UART的針腳。我們把USB一端插入到PC。另一端按照UART到UART的方式，連線到樹莓派的UART針腳。

連線好之後，就可以在PC上，利用串列埠操作軟體來和樹莓派通訊。在Linux下，USB連線表示為/dev/ttyUSB0。當然，當計算機上只有1個USB裝置時，最後的編號才會是0。而在我的Mac OSX上，該USB連線被表示成/dev/cu.SLAB_USBtoUART。此後，就可以透過操作USB檔案來進行UART通訊。在Windows下，也有現成的進行串列埠通訊的圖形化軟體。

 
用UART登陸樹莓派

我們還可以用UART的方式連線並登陸樹莓派。進入樹莓派設定：

sudo raspi-config

在Interfacing Options->Serial中，允許開機時透過串列埠登陸。

 

重啟後，樹莓派啟動時會自動把開機資訊已115200的波特率推到UART埠。在UART另一端的PC上，如果你使用Mac OSX，那麼你可以用下面命令連線：

screen /dev/cu.SLAB_USBtoUART 115200

如果PC是Linux系統，只需要把USB裝置檔案改為對應的裝置檔案即可。如果是Windows系統，還可以用圖形化軟體。這裡不再贅述。