树莓派基础之外设开发编程

一、树莓派外设开发接口

树莓派的接口

对主控芯片来说有：
IO口(输入输出口)：input output
Input：人体，烟雾，火焰，震动
Output：继电器，蜂鸣器

PWM(增强性IO口)：电机调速，灯光调明亮度
其他串口：
uart，IIC，SPI，IIS
其他特定硬件接口：
flash

还有像树莓派一样要跑操作系统的芯片：
Nanopi:linux
S3c2410 2440 6410
Tiny210 tiny4412
海思方案，瑞芯微方案，移远方案
带有操作系统的芯片一般都会讲到驱动

不带操作系统的芯片：
C51,STM32,Arduino,WemosD1:没用OS(linux)

二、树莓派wiringPi库

1）树莓派的wiringPi库：
wiringPi库就好比 linux的动态库.so，静态库.a
也好比C语言里面的include 的标准库
wiringPi库里面的API就好比include里面的printf

2）wiringPi库不是树莓派自带的，是特定平台，特定功能的接口库。也就是别人已经给你封装好了，直接调用库里面的API就行，记得编译的时候要带 -lwiringPi

3）检查一下树莓派是否有下载这个wiringPi库：

gpio -v

4）硬件初始化，wiringPiSetup函数：

#include
#include
int main()
{
    int ret;
    ret = wiringPiSetup();
    if(ret == -1){
       printf("初始化失败!\n");
       return -1;
    }
    return 0;
}

5）树莓派wiringPi库参考博文

三、树莓派控制继电器

1）先查看下树莓派板上信息：

gpio readall

2）继电器的接口有三个，GND,IN,VCC
它的驱动电压是3.3v
所以正极(VCC) 接树莓派的3.3v
接地(GND) 接树莓派的0v
信号传输(IN)接 gpio口

接好后写代码：

#include
#include

#define SWITCHER 7
int main()
{
        int cmd;

        if(wiringPiSetup() == -1){
                printf("初始化失败!\n");
                return -1;
        }

        pinMode(SWITCHER,OUTPUT);
        digitalWrite(SWITCHER,HIGH);

        while(1){
                printf("请输入0/1：0-断开开关，1-导通开关!\n");
                scanf("%d",&cmd);
                getchar();
                if(cmd == 1){
                        digitalWrite(SWITCHER,LOW);
                }else if(cmd == 0){
                        digitalWrite(SWITCHER,HIGH);
                }
                 cmd = 10;
        }
        return 0;
}

运行结果可以：

四、继电器组硬件控制开发

1）树莓派和继电器组的接线：

VCC正极接 5V
GND接地接 0V
IN1-IN4(信号) 接 GPIO.29 - GPIO.26

2）写代码测试下：

#include
#include
#include

#define  SWI1 29
#define  SWI2 28
#define  SWI3 27
#define  SWI4 26

int main()
{
        char cmd[12] = {'\0'};

        if(wiringPiSetup() == -1){
                printf("初始化失败!\n");
                return -1;
        }

        pinMode(SWI1,OUTPUT);
        pinMode(SWI2,OUTPUT);
        pinMode(SWI3,OUTPUT);
        pinMode(SWI4,OUTPUT);

        digitalWrite(SWI1,HIGH);
        digitalWrite(SWI2,HIGH);
        digitalWrite(SWI3,HIGH);
        digitalWrite(SWI4,HIGH);

        while(1){
                printf("请输入1-4 on/off 或者 all on/all off。off-断开开关，on-导通开关!\n");
                memset(&cmd,0,sizeof(cmd));
                gets(cmd);

                if(strcmp(cmd,"1 on") == 0){
                        digitalWrite(SWI1,LOW);
                }else if(strcmp(cmd,"1 off") == 0){
                        digitalWrite(SWI1,HIGH);
                }
                if(strcmp(cmd,"2 on") == 0){
                        digitalWrite(SWI2,LOW);
                }else if(strcmp(cmd,"2 off") == 0){
                        digitalWrite(SWI2,HIGH);
                }
                if(strcmp(cmd,"3 on") == 0){
                        digitalWrite(SWI3,LOW);
                }else if(strcmp(cmd,"3 off") == 0){
                        digitalWrite(SWI3,HIGH);
                }
                if(strcmp(cmd,"4 on") == 0){
                        digitalWrite(SWI4,LOW);
                }else if(strcmp(cmd,"4 off") == 0){
                        digitalWrite(SWI4,HIGH);
                }
                if(strcmp(cmd,"all on") == 0){
                        digitalWrite(SWI1,LOW);
                        digitalWrite(SWI2,LOW);
                        digitalWrite(SWI3,LOW);
                        digitalWrite(SWI4,LOW);       
                }else if(strcmp(cmd,"all off") == 0){
                        digitalWrite(SWI1,HIGH);
                        digitalWrite(SWI2,HIGH);
                        digitalWrite(SWI3,HIGH);
                        digitalWrite(SWI4,HIGH);
                }

        }

        return 0;
}                                

运行结果正常：

五、超声波模块介绍

超声波传感器模块上通常有两个超声波元器件，一个用于发射，一个用于接收。电路板上有4个引脚：VCC(正极)，Trig(触发)，Echo(回应)，GND(接地)，主要参数：

工作电压与电流：5V，15mA
感测距离：2-400cm
感测角度：不大于15°
被测物的面积不要小于50cm²，并且尽量平整
具备温度补偿电路

在超声波模块的触发脚位输入10微秒以上的高电位，即可发射超声波，发射超声波之后，与接收到传回的超声波之前，“脚位” 呈现高电位。因此，程序可从 “响应” 脚位的高电位脉冲持续时间，换算出被测物的距离。

参考博文

写代码前，想了解下需要用到的函数：

1）pinmode

void pinMode (int pin, int mode)

pin：配置的引脚
mode:指定引脚的IO模式
可取的值：INPUT、OUTPUT、PWM_OUTPUT，GPIO_CLOCK
作用：配置引脚的IO模式

注意：
只有wiringPi 引脚编号下的1脚（BCM下的18脚） 支持PWM输出

只有wiringPi编号下的7（BCM下的4号）支持GPIO_CLOCK输出

2）digitalWrite

void digitalWrite (int pin, int value)

pin：控制的引脚
value：引脚输出的电平值。

可取的值：HIGH，LOW分别代表高低电平
让对一个已近配置为输出模式的 引脚 输出指定的电平信号

3）digitalRead

int digitalRead (int pin)

pin：读取的引脚

返回：引脚上的电平，可以是LOW HIGH 之一
读取一个引脚的电平值 LOW HIGH ，返回
返回值也可以是1 / 0（当输入信号电压在0～1.16 V时该函数返回0，当输入信号在1.83～3.3 V时返回1。如果输入电压在1.16～1.83 V之间不确定会返回0还是1。）

4）delayMicroseconds

delayMicroseconds (unsigned int howLong)

将线程暂停指定的微秒数（1000微妙=1毫秒=0.001s），因为Linux是多线程的，所以实际暂停的秒数可能比设置的更多一些

5）gettimeofday

gettimeofday(struct timeval *, struct timezone *);

这个函数函数返回的是1970年0:00:00到现在经过的秒数，函数的正常传入时需要用到两个参数。功能是得到当前时间和时区，分别写到tv和tz中，如果tz为NULL则不向tz写入。

6）struct timeval结构体

#include 
 struct timeval
           {
           time_t tv_sec;  //Seconds. 
           suseconds_t tv_usec;  //Microseconds. 
           };

这个结构体也是linux内核中的，直接调用就好了，接的包含头文件。tv_sec为Epoch到创建struct timeval时的秒数，tv_usec为微秒数，即秒后面的零头。

7）代码：

#include 
#include 
#include 

#define Trig    7  
#define Echo    0  

void CSBInit(void)
{
        pinMode(Echo, INPUT);  //设置端口为输入
        pinMode(Trig, OUTPUT);  //设置端口为输出
}

float disMeasure(void)
{
        struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含两个一个是秒，一个是微秒
        /*
           struct timeval
           {
           time_t tv_sec;  //Seconds. 
           suseconds_t tv_usec;  //Microseconds. 
           };
           */

        struct timeval tv2;
        long start, stop;
        float dis;

        digitalWrite(Trig, LOW);
        delayMicroseconds(2);
                
        digitalWrite(Trig, HIGH);
        delayMicroseconds(10);      //发出超声波脉冲  
        digitalWrite(Trig, LOW);

        while(!(digitalRead(Echo) == 1));
        gettimeofday(&tv1, NULL);           //获取当前时间 开始接收到返回信号的时候 

        while(!(digitalRead(Echo) == 0));
        gettimeofday(&tv2, NULL);           //获取当前时间  最后接收到返回信号的时候
        
        start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间  
        stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

        dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //计算时间差求出距离  

        return dis;
}
int main(void)
{
        float dis;

        if(wiringPiSetup() == -1){ //如果初始化失败，就输出错误信息 程序初始化时务必进行
                printf("setup wiringPi failed !");
                return 1;
        }

        CSBInit();

        while(1){
                dis = disMeasure();
                printf("distance = %0.2f cm\n",dis);
                delay(1000);
        }

        return 0;
}

运行结果：

根据返回的秒数计算出微秒数
start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;

stop = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

我们知道 timeval结构体中含有两个变量，tv_sec表示的是秒数，1秒=1000000微妙，第二个参数tv_usec表示的就是微秒数，所以通过这两个式子我们就求出了开始和结束时的微秒数，然后做差即可得到超声波传递所使用的时间

根据时间计算距离
(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2

因为stop和start原本表示的微妙，所以做差之后处1000000换算回是多少秒。因为声音在物质中的传播受到物质材质的影响，这里我们暂且不考虑介质的种类，默认为声音是在空气中传播，所以取声音的速度为340m/s=34000cm/s，因为超声波测距的误差较小的范围200-300cm，所以我们这里计算速度时用cm表示。

六、串口通信协议概述

1.串口通信
a）串口通信适用于多机通信

b）串口通信是通信方式属于全双工的（两个人互相骂）

c）串口通信关心的是数据格式和波特率
数据格式：数据位，停止位，奇偶效验位

2.初次使用树莓派串口编程，需要配置：

a）修改cmdline.text文件

sudo vi /boot/cmdline.txt

b）进入后修改删除红色括号的内容：

2.串口通信编程：
因为Linux一切皆文件，所以串口也是以文件的方式存放在树莓派中，所以我们调用串口通信的函数要包含头文件include

串口通信的函数有很多，我们实现简单的串口通信编程，要用到以下函数：

1）

int serialOpen (char *device, int baud)

device:串口的地址，在Linux中就是设备所在的目录。
默认一般是"/dev/ttyAMA0",我的是这样的。

baud：波特率
返回：正常返回文件描述符，否则返回-1失败。

功能：打开并初始串口

2）

void serialClose (int fd)

fd：文件描述符
功能：关闭fd关联的串口

3）

int   serialDataAvail (int fd)

fd：文件描述符
返回：串口缓存中已经接收的，可读取的字节数，-1代表错误

功能：获取串口缓存中可用的字节数。

4）

void  serialPuts (int fd, char *s)

fd：文件描述符
s：发送的字符串，字符串要以’\0’结尾

功能：发送一个字符串到串口

5）

int serialGetchar (int fd)

fd：文件描述符
返回：读取到的字符

功能：从串口读取一个字节数据返回。
如果串口缓存中没有可用的数据，则会等待10秒，如果10后还有没，返回-1
所以，在读取前，做好通过serialDataAvail判断下。

6）

void  serialPutchar (int fd, unsigned char c)

fd:文件描述符
c:要发送的数据

功能：发送一个字节的数据到串口

7）

size_t read(int fd,void * buf ,size_t count);

fd：文件描述符
buf：接受的数据缓存的数组
count:接收的字节数.
返回：实际读取的字符数。

这个是Linux下的标准IO库函数，需要包含头文件#include
当要接收的数据量过大时，wiringPi建议使用这个函数。

8）

size_t write (int fd,const void * buf,size_t count)

fd：文件描述符
buf：需要发送的数据缓存数组
count:发送buf中的前count个字节数据
返回：实际写入的字符数，错误返回-1

这个是Linux下的标准IO库函数，需要包含头文件#include
当要发送到的数据量过大时，wiringPi建议使用这个函数。

9）简单测试下：

#include
#include

int main()
{
    int fd;
    wiringPiSetup();

    fd = serialOpen("/dev/ttyAMA0",9600);

    while(1){
         serialPutchar(fd,'c');
         serialPuts(fd,"i am handsome\r\n");
         delayMicroseconds(1000000);

    }
    serialClose(fd);
    return 0;
}

运行结果：

10）

#include
#include

int main()
{
    int fd;
    int cmd;
    wiringPiSetup();

    fd = serialOpen("/dev/ttyAMA0",9600);

    while(1){
           while(serialDataAvail(fd) != -1){
                 cmd = serialGetchar(fd);
                 if(cmd == '2'){
                       serialPuts(fd,"i am handsome2\r\n");
                 }
                 if(cmd == '3'){
                       serialPuts(fd,"i am handsome3\r\n");
                 }
                 if(cmd == '4'){
                       serialPuts(fd,"i am handsome4\r\n");
                 }
           }

    }
    serialClose(fd);
    return 0;
}

运行结果：

七、树莓派和语音模块的综合应用

1）语音模块自身有源码，上次根据需求我们改了一些代码，实现的功能是当我们说开灯，语音模块识别后会往串口打印出相应的数据。
那么我们把语音模块连接树莓派，树莓派打开串口功能，当我们去给语音模块收到数据的时候，语音模块就会往树莓派的串口输入收到的数据，我们就可以通过树莓派串口打印出相应的数据。

2）树莓派和语音模块接线：
树莓派的TXD 接 语音模块的RXD
树莓派的RXD 接 语音模块的 TXD
树莓派的0V 接 语音模块的GND
树莓派的5v 接语音模块的5v

3）代码编程：

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{

    int fd;
    char cmd[128] = {'\0'};
    int nread;

    wiringPiSetup();
    fd = serialOpen("/dev/ttyAMA0",9600);
    if(fd == -1){
       printf("串口打开失败!\n");
    }
    
    while(1){
             nread =  read(fd,cmd,sizeof(cmd));
             if(strlen(cmd) == 0){
                printf("超时!\n");
                continue;
             }
             printf("读到%d个字节\n",nread);

             if(strstr(cmd,"open") != NULL){
                printf("open light\n");
             }
             if(strstr(cmd,"close") != NULL){
                printf("close light\n");
             }
                memset(cmd,'\0',sizeof(cmd)/sizeof(char));
    }

    return 0;
}