树莓派硬件编程——（二）用RPi.GPIO库获取信号

说到输入，我们可以简单的把传感器分为数字传感器和模拟传感器，数字传感器就是指只有高低电平两种状态的传感器，比如说开关、红外线传感器、倾斜传感器、继电器等等，他们只有两种状态：闭合和断开，像这种传感器我们获取状态就非常简单了，今天我们也着重讨论数字信号的获取和处理。

那么什么是模拟传感器呢？那么就先举个栗子，我们说话发出的声音，声音是一种连续的量，从发出到结束，能量越来越大再逐渐变小，直到结束，声音还有频率之分；那么我们把这种连续的量，可以测量出具体的值的量称之为模拟量，这种传感器为模拟传感器。我们生活中常见的模拟传感器还有温湿度传感器、光敏传感器、压力传感器，我们发现温湿度是在不断变化的，并且我们可以测量得到具体的值；亮度和物体重量我们也都可以测量出来。模拟传感器值的获取就会相较麻烦，这个我们后面再逐一讨论。

一、用槽型光电模块当开关，控制LED灯的亮灭

对于这里为什么不用按键来控制，实在是按键模块不翼而飞，只好用同数字传感器代替；

1. 我们先来回顾一下LED闪烁的效果是如何实现的：

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
    
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)    # 定义LED引脚模式为输出
    
   try:
       while True:
           GPIO.output(16,GPIO.HIGH)    # 用output()函数控制引脚的电平状态
           time.sleep(1)
           GPIO.output(16,GPIO.LOW)
           time.sleep(1)
   except KeyboardInterrupt:
       GPIO.output(16,GPIO.GPIO.LOW)
       GPIO.cleanup()

2. 那么，我们就可以再这个基础上添加信号输入的部分

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
   GPIO.setup(12,GPIO.IN)    # 定义槽型光电引脚为输入模式
   
   try:
       while True:
           if GPIO.input(12):    # 用GPIO.input(引脚)函数来获取引脚电平状态
                                 # 如果有信号输入，那么就证明有物体经过，则进行处理
               GPIO.output(16,GPIO.HIGH)
           else:
               GPIO.output(16,GPIO.LOW)
   except KeyboardInterrupt:
       GPIO.output(16,GPIO.LOW)
       GPIO.cleanup()

3. 那么，如果我们想槽型光电每触发一次，更改一次LED灯的状态，该怎么处理呢？

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
   GPIO.setup(12,GPIO.IN)
   
   state = False    # 状态位
   try:
       while True:
           if GPIO.input(12):            # 检测到有信号
               state = not state         # 置反原先的状态位
               GPIO.output(16,state)     # 设置引脚的输出状态
               time.sleep(1)             # 这里的延时只是为了大家方便看到效果
   except KeyboardInterrupt:
       GPIO.output(16,GPIO.LOW)
       GPIO.cleanup()

   
   我们通过程序的运行效果，可以看到每检测到一次信号，确实会改变一次LED灯的状态，但是我们需要的是“检测到 - 信号消失”应该才是一个信号周期，才改变一次状态，那么我们可以怎么实现呢？
   

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
   GPIO.setup(12,GPIO.IN)
   
   state = False
   try:
       while True:
           if GPIO.input(12):
           while GPIO.input(12):    # 我们可以再这里加一个while循环，如果还是检测到有信号
               pass                 # 那么就一直执行空语句
           state = not state
           GPIO.output(16,state)
           time.sleep(0.2)          # 这里延时200毫秒，是为了使电平稳定，不然可能会造成误判
   except KeyboardInterrupt:
       GPIO.output(16,GPIO.LOW)
       GPIO.cleanup()

二、什么是上拉电阻和下拉电阻

我们先来看一下下面的现象（只是将槽型光电换成了普通按键，程序、引脚都没有更改）：

很神奇，我并没有按按键，为什么它一直处于触发状态，而且不是一直保持高电平或者低电平，不然LED灯就不会一直闪烁了；

这是因为此时按键引脚是处于浮空状态的，什么意思，就是它的状态不确定，受周围电平的干扰，可能是高电平也可能是低电平，那么我们就需要添加一个上拉电阻（使引脚默认为高电平）或者一个下拉电阻（使引脚默认为低电平）来保证引脚状态的稳定，不然就会出现上面的现象了。

那么，这里问题来了，之前的槽型光电为什么是正常的呢？这是因为，槽型光电模块在硬件电路上就已经添加了下拉电阻，使其默认是低电平状态，所以我们在编程的时候可以不设置，能够保证电平稳定；但是我们现在布置的电路可没有设计下拉电阻，所以现在引脚的状态是不确定的。

注意：不是所有的传感器都会设计上拉/下拉电阻的，所以我们在编程的时候最好进行一步设置，再有就是，不是所有的传感器都是下拉电阻的，这个跟硬件的电路设计有关，所以我们可以注意一下传感器上面到底是高电平触发还是低电平触发。

OK，接下来我们就需要通过编程，来确定引脚的状态了：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
GPIO.setup(12,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
# 我们可以通过 pull_up_down 设置上拉/下拉电阻，对应的就是GPIO.PUD_UP/GPIO.PUD_DOWN

state = False
try:
    while True:
        if GPIO.input(12):
            while GPIO.input(12):
                pass
            state = not state
            GPIO.output(16,state)
            time.sleep(0.2)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

三、树莓派引脚输入的检测方式：轮询和中断

1. 什么是轮询：
   我们上面检测按键的方式就是轮询，就是说树莓派在不断的检测按键是否有输入，这是一种比较初等的检测方式，它对资源的消耗会比较大，且当树莓派在执行其他任务是，可能会错过按键的检测；
2. 什么是中断：
   举个栗子，我们周末在家，作业做完了正在看电视，这时候妈妈说家里酱油没有了，让你帮忙去买酱油，这时候你就需要暂停看电视这件事，先去把酱油买了之后，再回来看电视。中断其实就是这个道理，我不阻止你做其他事情，你在做其他事情的时候可能会被优先级更高的事情打断，那么就要先把优先级更高的事情做完，再回来做之前没有完成的事情，这就是中断。
   中断的好处就是，不会占用很多资源（可以忽略不计），且当触发中断时，可以第一时间来处理中断，不会造成错过事件触发。
3. 什么是边沿检测：
   之前我们讲过，对于我们的硬件来讲，它们就只有两种状态：高电平和低电平，其实这个电平是一个相对状态；什么意思，就是说低电平不一定是0V，我们一般规定低于一个阈值，那么此时就是低电平状态，高于一个阈值就是高电平状态；那么在电平变化的过程中，肯定会有一个上升或者下降的趋势，那么这个趋势我们称之为上升沿或者下降沿。
   这里我们就可以知道了，边沿检测就是检测这个变化趋势是怎么样的，比如说我们按下按键，本来是低电平的，现在要变成高电平了，这时候就处于一个上升的趋势，那么这就是上升沿，当树莓派检测到这个电平变化之后呢，就可以对其进行处理了。

四、wait_for_edge()函数的使用

wait_for_edge()函数的作用，我们来打个比方：它就像一个霸王，它在执行的时候，一定要得到他想要的东西（检测到边沿变化），不然的话它就一直等在这里，不让后面的语句运行，直到检测到边沿变化。

那么，它存在的意义是什么呢？它占用资源的时间很少，基本可以忽略不计。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
GPIO.setup(12,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

state = False
try:
    while True:
        GPIO.wait_for_edge(12, GPIO.RISING)
        # GPIO.RISING    上升沿检测
        # GPIO.FALLING   下降沿检测
        # GPIO.BOTH      两者都可以，也就是说检测到边沿变化
        state = not state
        GPIO.output(16,state)
        time.sleep(0.2)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

但是我们总不可能就让树莓派执行一个任务吧，我们可以给他添加响应时间，在响应时间内接受响应，超过响应时间就允许你做接下来的任务：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
GPIO.setup(12,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

state = False
try:
    while True:
        channel = GPIO.wait_for_edge(12, GPIO.RISING,timeout=5000)
        # 用 timeout 设置响应时间
        if channel is None:
            print('Timeout',channel)
        else:
            state = not state
            GPIO.output(16,state)
            print(channel)
            time.sleep(0.2)
        print('lalala')
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

我们发现，当我们没有在响应时间内按下按键，那么wait_for_edge()返回的值是None，如果触发了，返回的则是引脚编号；
但是这里需要注意的一点是，这里并没有使用中断，也就是说其他任务在执行的时候，按下按键是没有任何反应的，不然我们通过在后面加一个五秒延时，在延时的时候，按键是没有任何反应的；

五、用add_event_detect()添加中断检测

其实我们可以这样理解，树莓派有一个小本本，记录了当什么中断触发的时候，该处理什么事情，这时候我们就可以在这个小本本上面添加我们的需求，当引脚12检测到边沿变化的时候，就要对这个事件进行处理。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)
GPIO.setup(12,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

state = False
def comm(chn):
    global state
    state = not state
    GPIO.output(16,state)
    time.sleep(0.2)    # 这个语句的作用是防止按键电平不稳定，造成多次触发
                       # 可以在add_event_detect()中添加bouncetime=200来代替

try:
    GPIO.add_event_detect(12,GPIO.RISING,callback=comm)
    # GPIO.add_event_detect(12,GPIO.RISING,callback=comm,bouncetime=200)
    # 如果在后面我们不需要事件响应了，可以用GPIO.remove_event_detect(引脚)在事件列表中删除
    while True:
        print('lalala')
        time.sleep(5)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

我们分析一下，上面这段程序都做了些什么事情：

1. 首先，我们将按键按下去之后应该做的事情定义了一个函数comm(chn)
   注意：此时的函数后面会被其他函数调用，所以这个函数我们称之为回调函数，且这个函数会有一个默认的参数：chn，即引脚号，我们这么定义就好，不归我们使用
2. 然后我们用 GPIO.add_event_detect()函数添加了一个中断事件
   其参数就是：引脚号、边沿变化模式和回调函数
   注意：添加事件我们不能够放在循环中，重复添加就会报错的
3. 最后，循环主体我们可以做其他任务，当事件触发的时候，会停下当前的事情，把事件的回调函数做完之后再回来做之前没有完成的任务。

那么，一个事件可不可以对应多个回调函数呢？
答案是可以的，但是它不是同时执行多个回调函数的，他会按照你的添加事件列表的顺序去执行；