樹莓派Zero W GPIO控制

作者：陳拓 [e-mail] 2018.06.09/2018.07.05

0.  概述

本文介紹樹莓派 Zero W的GPIO控制，並用LED看效果。

0.1 樹莓派GPIO編號方式

• 功能物理引腳

從左到右，從上到下：左邊奇數，右邊偶數：1-40

• BCM

編號側重CPU寄存器，根據BCM2835的GPIO寄存器編號。

• wiringPi

編號側重實現邏輯，把擴展GPIO端口從0開始編號，這種編號方便編程。如圖 WiringPi一欄。

操作GPIO時一定先要清楚使用那一套編號。

1.  准備

1.1 硬件

• 樹莓派Pi Zero W
• LED（3mm或5mm）
• 1KΩ電阻
• 杜邦線3根
• 電腦（我用Windows 7）

 1.2 GPIO接口

1.3 接線

首先我們把LED和樹莓派連接。LED的正極串聯一個1KΩ電阻接樹莓派的GPIO18(pin12)，負極接地。（注意，下面借用了別人一張圖，圖中LED正極接在pin11上，我們是接在pin12上）

 

2.  測試

2.1 連接電腦和Pi Zero W

用putty連接電腦和Pi Zero W，看本文最后的參考文檔。Host Name填raspberrypi.local，端口22，用戶名pi，密碼raspberry。

注意：boot分區有一個名為ssh的空文本文件，這個ssh文件容易丟失，如果ssh不能登錄了，先檢查ssh是否丟失。

2.2 用Shell命令直接控制GPIO

• 使GPIO18從內核空間暴露到用戶空間中

pi@raspberrypi:~ $ sudo echo 18 > /sys/class/gpio/export

> 是IO重定向符號，IO重定向是指改變linux標准輸入和輸出的默認設備，指向一個用戶定義的設備。echo 18 > export就是把18寫入到export文件中。

執行該操作之后，/sys/class/gpio目錄下會增加一個gpio18文件夾。

• 查看GPIO18引腳（在Liunx中設備都以文件的形式，引腳也是設備）

pi@raspberrypi:~ $ cd /sys/class/gpio/gpio18

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

• 設置GPIO18為輸出模式

pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $ sudo echo out > direction

• 向value文件中輸入1，GPIO輸出高電平，LED點亮

pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $ sudo echo 1 > value

• 向value文件中輸入0，GPIO輸出低電平，LED熄滅

pi@raspberrypi:/sys/class/gpio/gpio18 $ sudo echo 0 > value

• 返回家目錄

pi@raspberrypi:/sys/class/gpio $ cd ~

• 注銷GPIO18接口

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

 

2.3 用Shell腳本控制GPIO

• 新建一個名為ledonoff.sh的腳本。

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano ledonoff.sh

腳本寫下面的內容：

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

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

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

sleep 5   #延時5秒

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

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

說明：shell腳本可傳入參數，例如$1代表第1個參數，$2代表第2個參數，以此類推。

• 為ledonoff.sh添加可執行權限

pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x ledonoff.sh

• 運行腳本

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

運行結果：LED點亮，持續5秒鍾關閉。

2.4 用Python通過PRI.GPIO命令控制GPIO

用Python控制GPIO，最便捷的方法就是使用python類庫，比如樹莓派系統本身集成的RPi.GPIO。

在putty的ssh終端輸入命令：

• 進入python交互界面

pi@raspberrypi:~ $ python

>>> 這是python的提示符。

• 導入python類庫RPi.GPIO，命名為別名為GPIO

>>> import RPi.GPIO as GPIO

引入之后，就可以使用 GPIO 模塊的函數了。

• 設置BOARD編碼方式，基於BCM

樹莓派3 GPIO分為如下的三種編碼方式：物理引腳BOARD編碼，BCM編碼，以及 wiringPi 編碼。

>>> GPIO.setmode(GPIO.BCM)

• 輸出模式

>>> GPIO.setup(18,GPIO.OUT)

• GPIO18輸出高電平，LED點亮

>>> GPIO.output(18,GPIO.HIGH)

• GPIO18輸出低電平，LED熄滅

>>> GPIO.output(18,GPIO.LOW)

• 用完后進行清理

>>> GPIO.cleanup()

• 退出python交互界面

>>> Ctrl+D

2.5 用Python腳本控制GPIO

• 新建一個名為blinky.py的腳本。

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano blinky.py

腳本寫下面的內容：

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()

說明：while True下面的循環體要縮進，用空格或Tab（但不能混用）鍵縮進就行。

• 為blinky.py添加可執行權限

pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x blinky.py

• 運行Python腳本

pi@raspberrypi:~ $ sudo python blinky.py

LED閃爍。

• 停止運行

用 Ctrl+C 來中斷循環。

3. 借助wiringPi GPIO用C語言控制GPIO

樹莓派內核中已經編譯自帶了gpio的驅動，我們常通過一些第三方寫好的庫函數來完成具體的操作，比較常見的操作庫函數有：

• Python GPIO

Python GPIO已經集成到了樹莓派內核，為樹莓派官方資料中推薦且容易上手。python GPIO是一個小型的python庫，可以幫助用戶完成raspberry相關IO口操作，但是python GPIO庫還沒有支持SPI、I2C或者1-wire等總線接口。

常見C語言庫有：

• wiringPi (http://wiringpi.com/)

wiringPi適合那些具有C語言基礎，在接觸樹莓派之前已經接觸過單片機或者嵌入式開發的人群。wiringPi的API函數和arduino非常相似，這也使得它廣受歡迎。作者給出了大量的說明和示例代碼，這些示例代碼也包括UART設備，I2C設備和SPI設備等。

• BCM2835 C Library (http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/)

BCM2835 C Library可以理解為使用C語言實現的相關底層驅動，BCM2835 C Library的驅動庫包括GPIO. SPI和UART等，可以通過學習BCM2835 C Library熟悉BCM2835相關的寄存器操作。如果有機會開發樹莓派上的linux驅動，或自主開發python或PHP擴展驅動，可以從BCM2835 C Library找到不少的“靈感”。

3.1 WiringPi GPIO安裝

WiringPi是應用於樹莓派平台的GPIO控制庫函數，WiringPi遵守GUN Lv3。wiringPi使用C或者C++開發並且可以被其他語言包轉，例如python、ruby或者PHP等。

wiringPi包括一套gpio控制命令，使用gpio命令可以控制樹莓派GPIO管腳。用戶可以利用gpio命令通過shell腳本控制或查詢GPIO管腳。

• wiringPi安裝

更新列表：

pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get update

更新軟件：

pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get upgrade

安裝：

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

• 測試

wiringPi包括一套gpio命令，使用gpio命令可以控制樹莓派上的各種接口，通過以下指令可以測試wiringPi是否安裝成功。

pi@raspberrypi:~ $ gpio -v

• 查看GPIO圖

pi@raspberrypi:~ $ gpio readall

 

3.2 編寫代碼

• 新建一個名為led_blink.c的源程序

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano led_blink.c

• 內容如下

#include <wiringPi.h>

int main(void) {

    wiringPiSetup();

    pinMode (1, OUTPUT);

    for(;;) {

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

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

    }

}

說明：看看上一小節的圖，BCM編號的GPIO18引腳在wiringPi編號中是1。

3.3 編譯運行

• 編譯

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

-l wiringPi表示動態加載wiringPi共享庫。

• 運行

pi@raspberrypi:~ $ sudo ./led_blink

用 Ctrl+C 來中斷循環。

4.  借助BCM2835 C Library用C語言控制GPIO

4.1 下載安裝

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

 

• 下載bcm2835-1.56.tar.gz

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

• 解壓縮

pi@raspberrypi:~ $ tar xvzf bcm2835-1.56.tar.gz

• 配置編譯

進入壓縮之后的目錄:

pi@raspberrypi:~ $ cd bcm2835-1.56

執行配置命令：

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

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ make

• 執行檢查

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ sudo make check

• 安裝bcm2835庫:

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ sudo make install

4.2 編寫代碼

• 新建一個名為blink_led.c的源程序

pi@raspberrypi:~/bcm2835-1.56 $ cd ~

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano blink_led.c

• 內容如下

#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;

}

說明：GPIO的編號方式不同，采用PCB板的物理接口編號，led連在樹莓派Zero W板子的12引腳上。

4.3 編譯運行

• 編譯

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

-l bcm2835表示動態加載bcm2835共享庫

• 運行

sudo ./blink_led

用 Ctrl+C 來中斷循環。

 參考文檔

1. 樹莓派介紹
2. 電腦連接樹莓派PiZeroW
3. 樹莓派+溫度傳感器DS18B20
4. 樹莓派GPIO控制--C語言篇https://blog.csdn.net/hu7850/article/details/51785560
5. 遠程控制通訊——基於樹莓派 Python gpiozero 遠程控制LED燈並返回控制結果https://blog.csdn.net/NCTU_to_prove_safety/article/details/65446454
6. RPi Low-level peripherals 
   https://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals
7. 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
8. Raspberry Pi Temperature Sensor
   http://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/temperature/