如何写一个树莓派的驱动来控制GPIO LED

一直以来，物联网开发者面对新的硬件都是一件头痛的事情。有些时候明明有现成的驱动，我们却没法直接利用。公司的PM/领导一句话下来，整套系统就要从新来，说明书一看就是一天，重复的软硬联调，日复一日的造轮子，到最后可能也就是一次性的需求，用过以后就在代码仓库里吃灰。

我们不禁问道为什么硬件和应用/系统的耦合度这么高？手上的一堆驱动/系统为什么就不能做到即插即用呢？

不过没关系，物联网的开发者们很快就有救了。边无际将推出系列分享，一步步的带着广大物联网开发者实现真正的软硬解耦，物理设备即插即用。让开发一个业务场景像开发一个APP一样简单！

下面就让我们进入这一系列的第一次分享：给树莓派编写一个控制GPIO LED的驱动。

介绍：

本文是一个使用Python开发一个控制树莓派GPIO LED的驱动指南，其中包含基本的连接，命令，语法，任何开发者都可以阅读本文来学习树莓派GPIO驱动的开发方法。

本文使用Python实现了一个控制驱动，为了简单起见，本文不适用任何高级语法/框架。

目标：

• 完成简单LED电路连接

• 基本的树莓派/SSH配置

• 基本的Python语法以及GPIO库知识

本次分享中用到的设备有：

• 树莓派 （本文中用到的为Raspberry Pi 3B+），运行着64位的Raspberry Pi OS

• 1个面包板

• 3个LED灯泡，这里为了区分用了三种颜色，分别是红，黄，绿

• 1个330欧姆的电阻

需要的基本知识：

• 简单的python语法

• Linux命令行基本操作（创建一个文件，安装应用，SSH，运行一个程序）

步骤

第一步：电路设计：

首先我们来设计一下电路，我们需要设计一个电路，可以让树莓派的GPIO输出来控制单个LED灯泡的开/关。本文采用了最直接的办法，即直接使用GPIO来对LED灯泡进行供电。

电路图如下：

图中GPIO的22，23，19针分别控制了红，绿，黄三个LED。最后串联的330欧电阻是为了防止LED电流过大烧毁。

第二步：电路实施

根据Raspberry Pi官方文档中的针脚布局（Pin Layout），我们可以看到针脚的具体位置，这里用到了第15，16，35，39号针脚：

将这四个针脚接上线缆的母口，然后在面包板上将剩余的电路连接好：

​

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添加图片注释，不超过 140 字（可选）

图中红，绿，黄，灰线缆分别对应了GPIO22，GPIO23，GPIO19和地（ground）

至此，电路设计与连接部分结束。

第三步：树莓派的准备：

首先在树莓派中安装一个操作系统，本文中用到的是Raspberry Pi OS (64-bit)

>>下载链接: https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

将SD卡插入读卡器，连接到电脑的USB端口中，再将下载后的压缩包通过balenaEtcher刷入SD卡即可

>>balenaEtcher链接: https://www.balena.io/etcher/

将SD卡放入树莓派，插入电源，显示器即可开始配置。

首先，为了方便开发/调试我们需要开启SSH，从桌面上开启终端：

然后输入“sudo raspi-config”来进入配置界面

选择“Interface Options”

选择“SSH”:

按回车，接着按左键选择“Yes”来开启SSH服务：

之后按右选择Finish，再回车退出即可：

这时，SSH服务已经开启了，但是我们需要知道树莓派的IP才可以SSH，这里我们通过系统自带的”ip addr”来查看：

​可以看到，IP地址为 “192.168.15.122”

回到电脑中，通过“ssh [email protected]”即可以远程进入到树莓派的命令行中

至此，树莓派以及硬件的准备就结束了。

注：早些版本的树莓派OS可能需要手动开启GPIO

第四步：驱动编写

一切就绪，现在我们来编写第一个驱动！

首先先确保系统中安装了python，如果没有的话可以运行如下命令：

sudo apt-get update && sudo apt install python3 -y

安装完毕后可以通过“python -V”来检查安装状态，如显示版本则成功：

​接下来让我们先从一个LED灯泡控制开始，我们要控制红色LED的亮/灭，使用以下代码：

​

驱动中用到的模块有：

o 用来控制树莓派的GPOIO

RPi.GPIO

o 用来解析命令行输入

argparse

先将GPIO的模式置到”GPIO.BCM”模式，在这个模式下针脚的数字为GPIO的数字，非树莓派板上的针脚顺序。

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

然后将警告关闭，本文中树莓派只会被这一个驱动程序控制

GPIO.setwarnings(False)

接下来处理一下程序输入，本驱动程序会接受两个输入：

1. “-p”, “--port”, 代表程序操控的GPIO针

2. “-o”, “--operate”, 代表程序对于GPIO针的操作，”on” 代表电路中的”1”, 即3.3V， ”off” 代表电路中的”0”, 即0V

这段代码为：

parser = argparse.ArgumentParser()

接下来是一些错误处理，当针脚数和操作不为空时，将参数传入函数“turnOnLed”进行操作，否则打印出警告：

if args.pin and args.operate:

主程序部分结束，下面我们看一下控制LED灯泡的函数 “turnOnLed”

首先是对传参的判断，确定“operate”变量为”on”或者”off”，否则返回。当变量为”on”的时候，将输出变量“gpio_out”设为“GPIO.HIGH”，“off”时则设为”GPIO.LOW”。

这两个值分别代表了开或者关：

if operate == "on":

最后，就是将该针脚的模式设为输出：

GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

并将针脚的输出切换到开/关：

GPIO.output(pin, gpio_out)

最后一步：运行效果

程序通过“python led_driver.py -p {pin #} -o {operate}”来操控

如果想让红色灯泡亮，我们执行“python led_driver.py -p 22 -o on”

​至此，给树莓派编写的简单控制LED灯泡驱动就编写完了！

总结

在此篇文章中，我们实现了树莓派的配置，LED灯泡连接GPIO以及编写一个可以操控LED灯泡的简单驱动。

本质上这个驱动实现了树莓派GPIO针的操控，所以我们也可以使用这个驱动来操控任意可以被3.3V控制的电路，针脚也不仅限于本文中的22，23和19。大家可以自行发挥想象力制作各式各样的测试电路。

这就是一个“传统”意义上的驱动了。但是这远远不够，在当今这个一切都可以被远程调用，远程操控的数字化时代，这个驱动仍然是太简陋了。

那么如何完善这个驱动，来实现更多，更加柔性的功能呢？除了修改/重写驱动以外，还有什么更好的办法来做嘛？

我们的下一篇文章，将向各位介绍边无际自研的开源框架Shifu的解决方案，可以让开发者在不必修改/重写驱动的状态下，实现对设备的操控。

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