通过Python使用树莓派的GPIO[未完待续...]

本文源自：
Using the Raspberry Pi GPIO with Python

译文如下：

所以你拿到了一个装了系统的树莓派，它用起来就像你的电脑一样。很好！那么现在呢？你没有买一个仅仅是为了替代你电脑的树莓派，是吗？好吧，树莓派可以做更多的事…比你的电脑做的事情还多！

树莓派A/B型的GPIO

你有没有发现在你的树莓派的一个角上有很多小引脚？这叫“通用输入输出”引脚（或者是GPIO引脚），这些引脚可以让你的树莓派连接到外界。树莓派A型和B型有26个引脚（其中17个是GPIO引脚），而B+型和B2型有40个引脚（26个GPIO引脚），B+型和B2型兼容A型和B型。

控制这些引脚最简单的方法就是调用RPi.GPIO Python库，这个库预装了最新版的Raspbian系统。以防这个库丢失，在任何情况下，我们都要学如何安装这个库。通过本教程，你可以学会使用树莓派GPIO引脚执行简单的输入输出操作。

Contents

• 树莓派引脚配置
• [RPi.GPIO Python库](#RPi.GPIO Python库)
  
  • 安装
• Hello World: 树莓派LED灯闪烁
  
  • 小背景
  • 电路
  • 使用树莓派GPIO库
  • 考虑计时
  • 一起编码吧
  • 视频
• 进阶：读取输入
  
  • 算法
  • 一起编码吧
• 测试：设计一个计时器
• 现在呢？
• 总结

树莓派引脚配置

正如之前提到的，树莓派A/B型和B+型引脚兼容，下面这张图（来自raspberrypi-spy.co.uk）展示了A/B型（rev 2）和B+型引脚的排布：

树莓派B型Rev 2和B+型的排布（来自raspberrypi-spy.co.uk）

B模型有两个版本，其中的引脚配置改变了一点。树莓派B型包括引脚1到引脚26，其中只有17个引脚被用作GPIO，剩余的引脚包括供电（5v和3.3v），地线和串行引脚。树莓派B型包括上述所有的引脚，其中26个引脚可被用作GPIO。

引脚左右边提到的标签对应的是BCM2835 CPU引脚的编号，例如：BCM2835 CPU的引脚GPIO 16对应树莓派B+的第36号引脚。是什么意思呢？它对你有什么区别呢？我们一会儿再做了解！:)

RPi.GPIO Python库

现在我们了解了解这个库。为了控制树莓派的GPIO引脚，我们要用RPi.GPIO的Python库。以0.5.6版本为例，这个库也支持树莓派B+型。虽然这个库是连接和控制GPIO引脚的做好的途径，但是他还是缺少对SPI，12C，硬件PWM和串口功能的支持（这是关于0.5.6版本的，后续版本有望被改善）。

这是一个允许你通过任何的方式（如：轮询、触发器、事件等）从任何GPIO引脚读取或写入的非常简单的库。在这篇文章中，我们将讨论轮询的方法（不用担心这个名字，我们后期会处理它的，“轮询”这个概念非常的简单），在我的接下来的文章中我将会谈谈其他的方法。

安装

方法 1 - 从库中安装
RPi.GPIO库预装了最新版的Raspbian系统，以防这个库不可用，你需要通过在命令行运行下面的指令从库中安装最新版：

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade
sudo apt-get install python-rpi.gpio python3-rpi.gpio

你要做的就是这些！简单吗？:)

方法 2 - 从源码编译

如果你想从源码编译，首先要从这里下载库。下载好后，你要解压它。打开命令行，浏览你下载的库的文件夹，敲下面的命令来解压它（用你下载的文件的名字替换那个文件的名字）：

tar zxvf RPi.GPIO-0.5.6.tar.gz

然后进入解压后的文件夹：

cd RPi.GPIO-0.5.6

在你安装前，确保你的系统安装了Python（这是因为它预装在所有操作系统的镜像）。以防Python没有安装，敲下面的命令来安装：

sudo apt-get install python-dev python3-dev

然后敲下面的命令来安装这个包：

sudo python setup.py install
# 或
sudo python3 setup.py install

应该就是这样了！接下来你要让一些LED灯山说起来！:)

Hello World: 树莓派LED灯闪烁

一个“Hello world”程序是最简单的可以写出来说明任何设备最基本功能的程序之一。在我们这个树莓派的例子中，像所有其他嵌入式系统一样，它的“Hello world”是让LED灯闪烁起来！不仅仅是让初学者知道事情是如何运转的，也是为了验证所有工具和设备是否正确地安装工作了。

在本文中，我们将用Python编程。当然我们也可以用很多其他的语言来编程，但是我们现在选择用Python，是因为它很简单。我会在其他文章中用C语言实现同样的效果，或许再来一篇文章我会教大家如何写自己的Linux内核模型来控制GPIO。:)

小背景

对于那些对电路不太懂的同学们，这个任务看起来有点难，所以这里有一个关于闪烁LED灯概念的小知识需要了解一下。如果你不是很熟，那么来看看：LED是一个在引脚上一接上正电压（正向偏置）就会发出某一颜色（红色、蓝色、绿色、黄色、白色等）的光的小设备。如果你把正负极换一换，LED等就不会亮了。根据下面LED的图，你要保证穿过LED的电压（从+到-）是正向的，才能把它点亮。

LED示意图详解

如果你直接连接了5v的电压，LED会闪一下（爆掉），因为电压超过了LED的极限。为了防止这种情况的发生，我们通常会让LED串联一个电阻来分担电压，这样LED就安全了并且可以持续的发亮，通常任何在100Ω到1000Ω之间的电阻都可以用。这样不会让太多的电压分担到LED上让它爆掉。
好了，现在我们来看看电路示意图。

电路

免责声明：我们绝不对任何你闯的祸负责。下面展示的电路经测试，工作良好。然而如果你连接错误并且/或或让电路板短路损坏了你的树莓派，你需要自己负全责。总而言之，自己承担后果。当然小心漏电。树莓派的GPIO引脚直接和BCM8235 CPU的引脚相连，没有保护，所以小心行事。如果你没有把握，试试用一些像Gertboard的东西作为中间接口。

我们将用不需要无焊线路板来做这个电路。如果你不知道怎么在线路板上做电路，可以先试着看看这个视频。我们需要的所有东西是：

• 树莓派及其配件
• F/M跨接导线（F/F和M/M组合也可以用）
• 一个LED（3mm或5mm）
• 两个330Ω的电阻
• 一个按钮

检查一下下面的电路，我们现在要实现红色框框标记的区域，这是LED闪烁。注意树莓派的第7号引脚连接到电路的正极（+），第6号引脚（地线）连接到电路的负极（-）。

这意味着当7号引脚被驱动高时（原文是：when pin 7 is driven high），高电压（通常是5v）从7号引脚产生，点亮LED；并且当7号引脚被驱动低时，低电压（通常为0v）从7号引脚产生，关掉LED。

Cool！一旦你完成红色区域的电路的制作，就可以进入下一步了，我们将学习怎么用RPi.GPIO库来编写树莓派。

树莓派GPIO电路例子，红色区域是LED闪烁电路

这里有一些线路板上电路的图片：

LED闪烁线路板电路

树莓派LED闪烁

使用树莓派GPIO库

导入模块
RPi.GPIO包允许我们用类的方式控制GPIO引脚，我们以导入模块作为开始：

import RPi.GPIO as GPIO

这可以让我们通过简单地使用GPIO来代替它的全名RPi.GPIO。

指定操作模式
下一步是指定我们使用模块的模式。还记得我们提过的树莓派（BOARD）和那个CPU（BCM）引脚数量不同吗？这是关键之处。你需要在这两个系统之间选择，通过敲：

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)    # 树莓派
# 或
GPIO.setmode(GPIO.BCM)      # CPU

建立通道
下一步我们需要建立想要的通道作为输入或输出，我们可以这样做：

GPIO.setmode(channel, GPIO.IN)  # 输入通道
# 或
GPIO.setmode(channel, GPIO.OUT) # 输出通道

例如，对于LED闪烁，我们将线路板上的7号引脚连接到LED。这意味着我们必须把那个引脚配置为输出通道。同样，重述一遍，线路板的7号引脚是映射到CPu的GPIO 4引脚上，所以你要做：

GPIO.setup(7, GPIO.OUT) # 如果使用BOARD编号系统
# 或
GPIO.setup(4, GPIO.OUT) # 如果使用BCM编号系统

建议使用BOARD编号系统，因为它用起来更简单。其实你用那一个无关紧要，只要你选择好一个，用它就好。

驱动通道（原文：Drive a channel）
下一步是驱动通道为高或低（原文是：Next step is to drive the channel high or low.），可以这样写：

GPIO.output(channel, state)

例如：要驱动第7引脚为高（原文是：to drive pin 7 high），我们敲下面的代码：

GPIO.output(7, True)
# 或
GPIO.output(7, GPIO.HIGH)
# 或
GPIO.output(7, 1)

同样，驱动7号引脚为低（原文：to drive the same 7 low）,我们敲：

GPIO.output(7, False)
# 或
GPIO.output(7, GPIO.LOW)
# 或
GPIO.output(7, 0)

读通道（原文：Read channel）
为了读取任何一个GPIO引脚的值，简单地写：

GPIO.input(channel)

我们将在这次教程的后面学到如何使用它。因为我们所有的引脚都是输出引脚，所以我们在LED闪烁中不需要。

清除（原文：clearup）
一旦我们完成GPIO的操作，我们需要清除并释放掉任何我们已经使用过的资源。这个不是必须要求，但是它是一个良好的编程习惯，你要做的就是：

GPIO.clearnup()

考虑计时

你需要知道的另一件事是延时的概念，它指的是当LED闪烁的时候，你确实是想看到它闪烁，而不应该是它闪烁得太快，以至于你看到它一直是亮的，或者是它闪烁得太慢，以至于你看到它的状态一直是亮的或暗的。同样，你也需要控制LED闪烁速度（比方说你想要LED没1/4秒闪烁一次）。所以我们要做：

1. 打开LED
2. 等待一会儿
3. 关闭LED
4. 等待一会儿
5. 重复1-4步

为了实现上面提到的步骤2和步骤4，Python有一个可以调用做同样的事的sleep()函数的time库（原文是：Python has a time library which has a function called sleep() which does exactly the same thing!）。下面是我们使用的方法：

import time     # 导入'time'库
time.sleep(n)   # 睡眠n秒

我觉得我们要开始变成了，我假定你已经熟悉了一些基本的Python程序，如果你不熟悉Python，你可以先学一下，然后回来！

一起编码吧

好了，伙计们！是时候伸出你们的咸猪手开始编程了！我们将用Python 2.7.3写代码，为了可以写代码，打开你最喜欢的文本编辑器（如gedit, Geany等）。通常对于Python来说，我们更喜欢用IDLE，所以我们去命令行，敲：

sudo idle

我们需要用超级用户（管理员）权限运行IDLE，因为RPi.GPIO库需要控制硬件引脚的权限。不要打开IDLE 3，我们不用Python 3。

接下来，敲写如下代码：

import RPi.GPIO as GPIO         ## 导入GPIO库
import time                     ## 导入time库

pin = 7                         ## 使用7号引脚
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)        ## 使用BOARD引脚编号
GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)       ## 设置7号引脚为输出通道

for i in range(0,20):           ## 重复20次
    GPIO.output(pin, GPIO.HIGH) ## 打开GPIO引脚（HIGH）
    time.sleep(1)               ## 等待1秒钟
    GPIO.output(pin, PGIO.LOW)  ## 关闭GPIO引脚（LOW）
    time.sleep(1)               ## 等待1秒钟

GPIO.cleanup()                  ## 清除，释放资源

完成后，保存文件并以你希望的名字命名（像：blinky.py）。然后，点击F5运行它，如果你敲错了代码，你会看到错误框弹出。如果它说某种语法错误，请检查确保你正在运行IDLE而不是IDLE3。如果它提示权限不足，确保你用过超级用户（管理员）身份运行IDLE（通过使用sudo）。

你也可以通过通过命令行在工作目录敲如下代码来运行这个Python文件：

sudo python blinky.py

你看到了什么？你的LED闪烁了吗？如果一切进展顺利，你的LED就会闪烁，但是只有一次。那是因为我们还没有实现循环！让我们修改代码：

import RPi.GPIO as GPIO         ## 导入GPIO库
import time                     ## 导入time库

pin = 7                         ## 使用7号引脚
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)        ## 使用BOARD引脚编号
GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)       ## 设置7号引脚输出

for i in range(0, 20):          ## 重复20次
    GPIO.output(pin, GPIO.HIGH) ## 打开GPIO引脚（HIGH）
    time.sleep(1)               ## 等1秒
    GPIO.output(pin, GPIO.LOW)  ## 关闭GPIO引脚（LOW）
    time.sleep(1)               ## 等1秒

PIO.cleanup()                   ## 清除

确保你正确使用制表符缩进代码而不是空格。

Python严格依赖合适的代码缩进，保存并运行它。你看到了什么？LED闪烁了20次了吗？哇哦？！好棒！干得漂亮！:)

现在试着玩玩！改变循环重复的次数，改变延迟的时间等。

但是为什么只闪烁20次呢？如果你想永远闪烁怎么办呢？！为了实现这个效果，你需要用下面的代码替换for循环：

while True:
    # 循环代码从这里开始
    # 这个循环无限制地迭代下去
    # 因为循环的条件永远是True

好，继续！这些你都做好了！（原文：And there you go! You’re all set!）我准备了我的LED闪烁的视频，下面有。我用了以下的代码，这份代码获取用户的输入然后实现了闪烁的功能。

# 树莓派LED闪烁代码

笔者正在翻译中…