树莓派硬件编程——（一）用RPi.GPIO库输出信号

一、认识RPi.GPIO库

树莓派硬件编程不仅可以用Python进行开发，也可以用C++进行开发，那么想要对硬件进行控制，就需要了解树莓派的电路设计和芯片的控制规则，只有知道了这些，我们才能驱动我们的树莓派。那么RPi.GPIO库就是Python对树莓派的控制库，它提供了很多函数可以让我们获取引脚信息、与外部设备进行数据交互等等，所以RPi.GPIO是我们硬件编程非常重要的工具。

二、如何下载安装RPi.GPIO库

一般来讲，树莓派官方镜像已经默认安装了RPi.GPIO库的，我们可以用 pip3 list 来查看一下已安装库列表

如果没有安装的话，那么我们可以通过 pip3 install rpi.gpio 来对其进行安装，或者 apt-get install python3-rpi.gpio 进行安装；

这边友情提醒，不要好好的去卸载RPi.GPIO库，这是血泪教训，因为我想试验命令安装，然后把库给卸载了，命令应该没有错，但是可能现实其他依赖会有问题，所以，没事别瞎试；

三、引脚编号

我们通过上图可以看见，我们可以通过三种编码模式对树莓派引脚进行控制，那么这三种编码分别是什么意思呢？

1. wiringPi编码：这是在C++进行开发时所使用的编码，这边不做重点讲解；
2. BCM编码：任何一个开发板想要进行控制，肯定会有一个主控芯片，那么这个芯片就会有很多引脚，不同的引脚就有不同的功能，我们这里引出的是40Pin，但是一般来讲这个芯片是多于40个的，多出的引脚就要负责其他零部件的控制等等；那么，BCM编码我们可以理解成是主控芯片的引脚编号，直接通过主控芯片来进行控制当然是没有问题的。但是这里就有一个问题，树莓派每个版本不一样，或者升级之后，不能够保证主控芯片不变，所以当树莓派进行升级之后，以前的程序可能就不能用了，所以我们一般不用BCM编码；
3. BOARD编码：这个就很好理解了，我们拿着树莓派，从上到下这么数过去，就是BOARD编码，我们也叫它物理引脚；
   那么BOARD编码和BCM编码有什么联系呢？这么来说吧，物理引脚和主控芯片的功能引脚一一对应，也就是说它始终和功能对应，所以当芯片升级或者其他原因，我们之前所写的代码都是可用的，这样就可以保证极好的兼容性。
   那么物理引脚是连到哪的呢？整个板子是由主控芯片控制的呀，物理引脚肯定也是和芯片引脚相连呀。

总结：我们一般使用python进行硬件开发的时候，最好使用BOARD编码，这样可以保证其兼容性。

四、使用RPi.GPIO库控制LED灯闪烁

1. 导入RPi.GPIO库

   import RPi.GPIO as GPIO

2. 指定编码模式

   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   # GPIO.setmode(GPIO.BCM)

3. 设置引脚功能

   GPIO.setup(引脚编码，引脚功能,initial=GPIO.HIGH)

   引脚编号：这个就是根据不同的编码模式，配置其引脚编号

   pin_list = [15,16]
   GPIO.setup(pin_list,GPIO.OUT)    # 我们可以通过列表的方式，批量对引脚模式进行设置

   引脚功能：我们可以将引脚配置成输出（GPIO.OUT）模式，输入后面再讲
   initial=GPIO.HIGH：这个表示其引脚的初始状态为高电平状态，我们可以通过这么参数设置引脚的初始状态，且参数只有在输出模式才有

4. 输出高电平

   GPIO.output(引脚编号，状态)

   引脚编号： 同上
   状态：这里其实就是一个逻辑值，我们可以用True/False或者用1/0或者用GPIO.HIGH/GPIO.LOW

5. 清理引脚

   GPIO.cleanup()

   这里为什么需要清理引脚呢？这是因为我们在结束程序的时候，我们要将所有的引脚恢复成初始的状态，一般来讲为输入模式，这是要避免短路造成设备的损坏。

OK，下面我们就举个LED灯闪烁的栗子：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)

try:
    while True:
        GPIO.output(16,GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)
        GPIO.output(16,GPIO.LOW)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:    # 异常处理，如果Ctrl+C退出程序
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

五、使用RPi.GPIOk库实现呼吸灯效果

对于什么是呼吸灯，呼吸灯是怎么实现的，我的另一篇文章（炫酷LED呼吸灯）应该讲的比较清楚了，这里就不做赘述；

那么这边我们使用的还是PWM脉宽调制来实现LED灯的呼吸灯效果，PWM的实质就是控制高低电平的时间比，单位时间内，高电平比例越高，那么LED灯工作的时间就越长，也就越亮。PWM不仅可以控制LED灯的亮暗，直流电机的转速、舵机的角度、无源蜂鸣器的频率等等都可以控制，一句话总结：脉宽调制就是用数字信号来实现模拟信号输出的一种技术。

1. 库导入、引脚编码、引脚功能设置等是常规操作

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)

2. 划重点，创建一个PWM对象

   p = GPIO.PWM(16,50)    # 创建一个PWM对象
   p.start(0)             # 启动PWM，初始值为0

   GPIO.PWM(引脚编号，频率)： 这里的频率是指单位时间内变化的次数，即频率越高，亮暗过渡就越平滑
   
   上面从左到右，频率分别是：10、20、50，大家可以对比他们的效果，区别还是比较明显的；

3. 实现效果

   try:
   while 1:
       for i in range(0,100,5):
           p.ChangeDutyCycle(i)
           time.sleep(0.05)
       for i in range(100,0,-5):
           p.ChangeDutyCycle(i)
           time.sleep(0.05)
   except KeyboardInterrupt:
       p.ChangeDutyCycle(0)
       GPIO.cleanup()

   我们可以用 ChangeDutyCycle([0,100]) 来控制PWM的占空比，其实这里我们可以理解成百分比，给他多少能量，他就可以发出多大的亮光；