详解树莓派的gpio功能及实用方法

树莓派现在越来越火，网上树莓派的资料也越来越多。树莓派源自英国，国外嵌入式开源领域具有良好的分享精神，树莓派各种集成库也层出不穷，下面推荐几个。
　　【python GPIO】
　　【开发语言】——python
　　【简单介绍】——该库更确切的名称为raspberry-gpio-python，树莓派官方资料中推荐且容易上手。python GPIO是一个小型的python库，可以帮助用户完成raspberry相关IO口操作。但是python GPIO库还没有支持SPI、I2C或者1-wire等总线接口。除了python GPIO之外，还有众多的python扩展库（例如webiopi），毫无疑问的说python非常适合树莓派，树莓派也非常适合python。
　　【wiringPi】
　　【开发语言】——C语言
　　【简单介绍】——wiringPi适合那些具有C语言基础，在接触树莓派之前已经接触过单片机或者嵌入式开发的人群。wiringPi的API函数和arduino非常相似，这也使得它广受欢迎。作者给出了大量的说明和示例代码，这些示例代码也包括UART设备，I2C设备和SPI设备等，毫无疑问地说wiringPi功能非常强大。
　　【BCM2835 C Library】
　　【开发语言】——C语言
　　【简单介绍】BCM2835 C Library可以理解为使用C语言实现的相关底层驱动，它给我的感觉更像STM32的库函数，BCM2835 C Library的驱动库包括GPIO、SPI和UART等，可以通过学习BCM2835 C Library熟悉BCM2835相关的寄存器操作。如果有机会开发树莓派上的linux驱动，或自主开发python或PHP扩展驱动，可以从BCM2835 C Library找到不少的“灵感”。
　　GPIO基本介绍　　GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。GPIO是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。掌握了GPIO，差不多相当于掌握了操作硬件的能力。
　　现在，我们先看看树莓派上的GPIO是怎么样的：

　　右上角的详细图：

　　我们重点看第二张详细图。这张图上可以看到，每一个针脚都有Pin#和NAME字段。Pin代表的是该针脚的编号，其中01和02针脚对应第一张图中GPIO最右边竖排的两个针脚。而NAME代表的是该针脚的BCM名称，当然NAME也可以直接看得出针脚的默认功能。比如 3.3v和5v代表着该针脚会输出3.3v和5v的电压，Ground代表着该针脚是接地的，GPIO0*则是一些待用户开发的针脚。每个针脚都可以使用程序进行控制操作。
　　控制GPIO　　想用python来控制GPIO，最便捷的办法就是使用一些python类库，比如树莓派系统本身集成的RPi.GPIO。本文详细介绍如何使用RPi.GPIO来控制GPIO。
　　导入RPi.GPIO模块
　　可以用下面的代码导入RPi.GPIO模块。
　　import RPi.GPIO as GPIO
　　引入之后，就可以使用GPIO模块的函数了。如果你想检查模块是否引入成功，也可以这样写：
　　try：
　　import RPi.GPIO as GPIO
　　except RuntimeError：
　　print（“引入错误”）
　　针脚编号
　　在RPi.GPIO中，同时支持树莓派上的两种GPIO引脚编号。第一种编号是BOARD编号，这和树莓派威廉希尔官方网站 板上的物理引脚编号相对应。使用这种编号的好处是，你的硬件将是一直可以使用的，不用担心树莓派的版本问题。因此，在威廉希尔官方网站 板升级后，你不需要重写连接器或代码。
　　第二种编号是BCM规则，是更底层的工作方式，它和Broadcom的片上系统中信道编号相对应。在使用一个引脚时，你需要查找信道号和物理引脚编号之间的对应规则。对于不同的树莓派版本，编写的脚本文件也可能是无法通用的。
　　你可以使用下列代码（强制的）指定一种编号规则：
　　GPIO.setmode（GPIO.BOARD）
　　# or
　　GPIO.setmode（GPIO.BCM）
　　下面代码将返回被设置的编号规则
　　mode = GPIO.getmode（）
　　警告
　　如果RPi.GRIO检测到一个引脚已经被设置成了非默认值，那么你将看到一个警告信息。你可以通过下列代码禁用警告：
　　GPIO.setwarnings（False）
　　引脚设置
　　在使用一个引脚前，你需要设置这些引脚作为输入还是输出。配置一个引脚的代码如下：
　　# 将引脚设置为输入模式
　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN）
　　# 将引脚设置为输出模式
　　GPIO.setup（channel， GPIO.OUT）
　　# 为输出的引脚设置默认值
　　GPIO.setup（channel， GPIO.OUT， iniTIal=GPIO.HIGH）
　　释放
　　一般来说，程序到达最后都需要释放资源，这个好习惯可以避免偶然损坏树莓派。释放脚本中的使用的引脚：
　　GPIO.cleanup（）
　　注意，GPIO.cleanup（）只会释放掉脚本中使用的GPIO引脚，并会清除设置的引脚编号规则。
　　输出
　　要想点亮一个LED灯，或者驱动某个设备，都需要给电流和电压他们，这个步骤也很简单，设置引脚的输出状态就可以了，代码如下：
　　GPIO.output（channel， state）
　　状态可以设置为0 / GPIO.LOW / False / 1 / GPIO.HIGH / True。如果编码规则为，GPIO.BOARD，那么channel就是对应引脚的数字。
　　如果想一次性设置多个引脚，可使用下面的代码：
　　chan_list = ［11，12］
　　GPIO.output（chan_list， GPIO.LOW）
　　GPIO.output（chan_list， （GPIO.HIGH， GPIO.LOW））
　　你还可以使用Input（）函数读取一个输出引脚的状态并将其作为输出值，例如：
　　GPIO.output（12， not GPIO.input（12））
　　读取
　　我们也常常需要读取引脚的输入状态，获取引脚输入状态如下代码：
　　GPIO.input（channel）
　　低电平返回0 / GPIO.LOW / False，高电平返回1 / GPIO.HIGH / True。
　　如果输入引脚处于悬空状态，引脚的值将是漂动的。换句话说，读取到的值是未知的，因为它并没有被连接到任何的信号上，直到按下一个按钮或开关。由于干扰的影响，输入的值可能会反复的变化。
　　使用如下代码可以解决问题：
　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN， pull_up_down=GPIO.PUD_UP）
　　# or
　　GPIO.setup（channel， GPIO.IN， pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN）
　　需要注意的是，上面的读取代码只是获取当前一瞬间的引脚输入信号。
　　如果需要实时监控引脚的状态变化，可以有两种办法。最简单原始的方式是每隔一段时间检查输入的信号值，这种方式被称为轮询。如果你的程序读取的时机错误，则很可能会丢失输入信号。轮询是在循环中执行的，这种方式比较占用处理器资源。另一种响应GPIO输入的方式是使用中断（边缘检测），这里的边缘是指信号从高到低的变换（下降沿）或从低到高的变换（上升沿）。
　　轮询方式
　　while GPIO.input（channel） == GPIO.LOW：
　　TIme.sleep（0.01） # wait 10 ms to give CPU chance to do other things


　　边缘检测
　　边缘是指信号状态的改变，从低到高（上升沿）或从高到低（下降沿）。通常情况下，我们更关心于输入状态的该边而不是输入信号的值。这种状态的该边被称为事件。
　　先介绍两个函数：
　　wait_for_edge（） 函数。
　　wait_for_edge（）被用于阻止程序的继续执行，直到检测到一个边沿。也就是说，上文中等待按钮按下的实例可以改写为：
　　channel = GPIO.wait_for_edge（channel， GPIO_RISING， TImeout=5000）
　　if channel is None：
　　print（‘TImeout occurred’）
　　else：
　　print（‘Edge detected on channel’， channel）
　　add_event_detect（） 函数
　　该函数对一个引脚进行监听，一旦引脚输入状态发生了改变，调用event_detected（）函数会返回true，如下代码：
　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING） # add rising edge detection on a channel
　　do_something（）
　　// 下面的代码放在一个线程循环执行。
　　if GPIO.event_detected（channel）：
　　print（‘Button pressed’）
　　上面的代码需要自己新建一个线程去循环检测event_detected（）的值，还算是比较麻烦的。
　　不过可采用另一种办法轻松检测状态，这种方式是直接传入一个回调函数：
　　def my_callback（channel）：
　　print（‘This is a edge event callback function！’）
　　print（‘Edge detected on channel %s’%channel）
　　print（‘This is run in a different thread to your main program’）
　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING， callback=my_callback）
　　如果你想设置多个回调函数，可以这样：
　　def my_callback_one（channel）：
　　print（‘Callback one’）
　　def my_callback_two（channel）：
　　print（‘Callback two’）
　　GPIO.add_event_detect（channel， GPIO.RISING）
　　GPIO.add_event_callback（channel， my_callback_one）
　　GPIO.add_event_callback（channel， my_callback_two）
　　注意：回调触发时，并不会同时执行回调函数，而是根据设置的顺序调用它们。
　　综合例子：点亮LED灯
　　好了，上面说明了一大堆函数库的用法，那么现在就应该来个简单的实验了。这个实验很简单，点亮一个LED灯。
　　编写代码之前，首先你需要将led灯的针脚通过杜邦线连接到树莓派的引脚上，比如你可以连接到11号引脚。
　　新建一个main.py文件，写入如下代码：
　　import RPi.GPIO as GPIO //引入函数库
　　import time
　　RPi.GPIO.setmode（GPIO.BOARD） //设置引脚编号规则
　　RPi.GPIO.setup（11， RPi.GPIO.OUT） //将11号引脚设置成输出模式
　　while True
　　GPIO.output（channel， 1） //将引脚的状态设置为高电平，此时LED亮了
　　time.sleep（1） //程序休眠1秒钟，让LED亮1秒
　　GPIO.output（channel， 0） //将引脚状态设置为低电平，此时LED灭了
　　time.sleep（1） //程序休眠1秒钟，让LED灭1秒
　　GPIO.cleanup（） //程序的最后别忘记清除所有资源
　　保存，并退出文件。执行python3 main.py，即可观看效果。Ctrl+C可以关闭程序。
　　此外，不妨也试试其它的函数吧，增强印象。
　　使用PWM
　　这个python函数库还支持PWM模式的输出，我们可以利用PWM来制作呼吸灯效果。详情看代码：
　　import time
　　import RPi.GPIO as GPIO //引入库
　　GPIO.setmode（GPIO.BOARD） //设置编号方式
　　GPIO.setup（12， GPIO.OUT） //设置12号引脚为输出模式
　　p = GPIO.PWM（12， 50） //将12号引脚初始化为PWM实例 ，频率为50Hz
　　p.start（0） //开始脉宽调制，参数范围为： （0.0 《= dc 《= 100.0）
　　try：
　　while 1：
　　for dc in range（0， 101， 5）：
　　p.ChangeDutyCycle（dc） //修改占空比 参数范围为： （0.0 《= dc 《= 100.0）
　　time.sleep（0.1）
　　for dc in range（100， -1， -5）：
　　p.ChangeDutyCycle（dc）
　　time.sleep（0.1）
　　except KeyboardInterrupt：
　　pass
　　p.stop（） //停止输出PWM波
　　GPIO.cleanup（） //