树莓派学习笔记（三）：外设开发综述

树莓派外设开发

树莓派的接口

说到外设，前面51单片机课程部分最常见到的就是IO口：

对于主控芯片而言，外界环境的数据，往内传入就是Input；向各种开关、控制器，往外输出就是Output。

Input的外设，多为各种传感器：烟雾传感器、温湿度传感器、振动传感器、加速度传感器……

Output的外设，多为开关类：继电器、蜂鸣器等。

根据MCU与外设之间的关系，当IO口资源不足时，通常需要对IO口进行复用，即同一个IO口，根据所接外设不同，表现出不同的特性，可能作输出，也可能作输入

除了普通IO口（即通用的高低电平输入输出），树莓派的针脚还可用于PWM波输出、串口、IIC、SPI、IIS等协议的输出，这些口根据具体使用开发板的不同，一般都有特定硬件接口规定。

与C51、STM32、WemosD1等裸机直接操作IO口不同，树莓派、香橙派等开发板需要运行操作系统，对IO的操作一般与“驱动”挂钩。不同厂家生产的不同外设产品并非都是使用相同的协议，使用的时候就要根据实际情况，使用相应的协议进行编程。

WiringPi的安装与基本使用

安装

了解了树莓派有哪些接口后，这一小节来认识一个基于C语言开发，用于树莓派外设开发的函数库——wiringPi，其对GPIO控制，串口通信，中断等提供了丰富的接口，可以极大方便我们的开发。

官网地址为http://wiringpi.com，官方自身定位：GPIO Interface library for the Raspberry Pi

在树莓派前期的学习过程中，主要就是调用wiringPi库提供的的现成API，随着课程深入会逐渐学习自己去实现上层和底层驱动的代码

首先执行如下命令从官方仓库获取wiringPi（由于官方git仓库2019年已经停止更新，所以无法再从官网web端进行下载）：

  • 32位系统，执行以下命令获取编译好的版本：

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    cd /tmp
    wget https://project-downloads.drogon.net/wiringpi-latest.deb
    sudo apt --fix-broken install #可能有一些底层依赖没有装好，所以使用apt提前修复好
    sudo dpkg -i wiringpi-latest.deb

  • 64位系统，由于2019年时树莓派还没有64位系统，所以需要自己下载源码编译（下面的是非官方仓库）：

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    sudo apt update
    sudo apt install build-essential
    git clone https://github.com/WiringPi/WiringPi.git
    cd WiringPi
    ./build

安装好后，使用gpio -v检查是否安装好：

引用wiringPi提供函数的方法

  1. 所有WiringPi提供的函数，都可通过#include <wiringPi.h>的头文件获得;

  2. 使用wiringPi提供的函数，必须在执行任何操作前初始化树莓派，否则程序不能正常工作。

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    int wiringPiSetup (void)
    //返回执行状态，-1表示失败
    //成功则初始化编号0-16的wiringPi引脚，具体对照表见下方

通过gpio readall，可以得到树莓派40pin与wiringPi各种口的对照表为：

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+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
|     |     |    3.3v |      |   |  1 || 2  |   |      | 5v      |     |     |
|   2 |   8 |   SDA.1 |   IN | 1 |  3 || 4  |   |      | 5v      |     |     |
|   3 |   9 |   SCL.1 |   IN | 1 |  5 || 6  |   |      | 0v      |     |     |
|   4 |   7 | GPIO. 7 |   IN | 1 |  7 || 8  | 0 | ALT0 | TxD     | 15  | 14  |
|     |     |      0v |      |   |  9 || 10 | 1 | ALT0 | RxD     | 16  | 15  |
|  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
|  27 |   2 | GPIO. 2 |   IN | 0 | 13 || 14 |   |      | 0v      |     |     |
|  22 |   3 | GPIO. 3 |   IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN   | GPIO. 4 | 4   | 23  |
|     |     |    3.3v |      |   | 17 || 18 | 0 | IN   | GPIO. 5 | 5   | 24  |
|  10 |  12 |    MOSI |   IN | 0 | 19 || 20 |   |      | 0v      |     |     |
|   9 |  13 |    MISO |   IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN   | GPIO. 6 | 6   | 25  |
|  11 |  14 |    SCLK |   IN | 0 | 23 || 24 | 1 | IN   | CE0     | 10  | 8   |
|     |     |      0v |      |   | 25 || 26 | 1 | IN   | CE1     | 11  | 7   |
|   0 |  30 |   SDA.0 |   IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN   | SCL.0   | 31  | 1   |
|   5 |  21 | GPIO.21 |   IN | 1 | 29 || 30 |   |      | 0v      |     |     |
|   6 |  22 | GPIO.22 |   IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN   | GPIO.26 | 26  | 12  |
|  13 |  23 | GPIO.23 |   IN | 0 | 33 || 34 |   |      | 0v      |     |     |
|  19 |  24 | GPIO.24 |   IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN   | GPIO.27 | 27  | 16  |
|  26 |  25 | GPIO.25 |   IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN   | GPIO.28 | 28  | 20  |
|     |     |      0v |      |   | 39 || 40 | 0 | IN   | GPIO.29 | 29  | 21  |
+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
| BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+

关于wiringPi具体提供哪些函数及其使用方法，参考树莓派wiringPi详解

树莓派控制继电器

首先回顾一下继电器的外观和原理：

继电器一端有三个输入口：VCC、GND用于供电，一个IN口作为信号控制输入；
另一端三个输出口：一个COM、一个NO和一个NC，其中NO为常开端，NC为常闭端，COM为公共端。

实际应用中，一般控制的元件直接电源负极相连，正极连接COM口；继电器NO口直接连接电源正极；

当输入IN口为低电平时，触发继电器COM口与常开的NO相接，从而连通电路，激活控制的元件

首先根据上面的针脚对应关系，我们将继电器的VCC、GND、IN口分别用杜邦线接到开发板的物理针脚1号、9号、7号（对应GPIO编号也是七号，默认高电平），然后编写一个简单的小程序从键盘获取用户输入，进而控制输出电平的高低：

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//replay.c
#include<wiringPi.h>
#include<stdio.h>
#define SWITCH 7
//使用宏方便后续针脚改动时代码更新

int main(){
    if((wiringPiSetup())==-1){
        printf("硬件连接初始化异常！");
        return -1;
    }
    int choice;
    pinMode(SWITCH,OUTPUT);
    digitalWrite(SWITCH,HIGH);//默认断开
    while(1){
        printf("请选择，1：断开开关，0：闭合开关\n");
        scanf("%d",&choice);
        if(choice==0){
            digitalWrite(SWITCH,LOW);
        } else if(choice==1){
            digitalWrite(SWITCH,HIGH);
        } else {
            printf("输入错误！\n");
        }
    }
}

运行过程中，随着选项的切换，能听到继电器发出的“咔哒”声，在电路导通时，能够听到接在电路中的报警器

从这个例子中，学到的知识点有：

  • 两个wiringPi提供的API：pinMode和digitalWrite，用于引脚配置与电平输出
  • 继电器的控制方法，以及其具体的应用方式
  • 宏定义编程习惯
树莓派控制继电器组

单个继电器模块，输入端需要三个针脚，那实际应用中，有四个继电器就要插12根杜邦线吗？不必。用一个继电器组就能解决。以规格为4的继电器组为例，组合共有6个输入针脚：VCC、GND、IN1-IN4，其中VCC需5v电源，IN1-IN4分别为1到4号继电器的控制口。

首先还是参照gpio针脚对照图，将继电器组的4个针脚分别接入26、27、28、29四个口，然后主体流程还是参照上面的写法，不过由于要控制4个继电器，所以这里指令的输入和识别是个难题。我们固定指令的格式为num choice，num为继电器编号，choice为on/off代表闭合/断开。这里使用了strtok函数将两者分隔开。

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//replay.c
#include<wiringPi.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define IN1 26
#define IN2 27
#define IN3 28
#define IN4 29

int main(){
	if((wiringPiSetup())==-1){
		printf("硬件连接初始化异常！");
		return -1;
	}

	char num;
	char cmd[6]={'\0'};
	char *choice;
	pinMode(IN1,OUTPUT);
	pinMode(IN2,OUTPUT);
	pinMode(IN3,OUTPUT);
	pinMode(IN4,OUTPUT);

	digitalWrite(IN1,HIGH);
	digitalWrite(IN2,HIGH);
	digitalWrite(IN3,HIGH);
	digitalWrite(IN4,HIGH);
	while(1){
		printf("请输入指令：0/1/2/3/4 on/off\n");
		gets(cmd);
		char *switcher = strtok(cmd, " ");
		num=switcher[0];
		choice = strtok(NULL, " ");
		printf("num:%c;choice:%s\n",num,choice);
		switch(num){
			case '1':
				if(strcmp(choice,"on")==0){
					digitalWrite(IN1,LOW);
				} else if(strcmp(choice,"off")==0){
					digitalWrite(IN1,HIGH);
				} else {
					printf("指令有误！\n");
				}
				break;
			case '2':
				if(strcmp(choice,"on")==0){
					digitalWrite(IN2,LOW);
				} else if(strcmp(choice,"off")==0){
					digitalWrite(IN2,HIGH);
				} else {
					printf("指令有误！\n");
				}
				break;
			case '3':
				if(strcmp(choice,"on")==0){
					digitalWrite(IN3,LOW);
				} else if(strcmp(choice,"off")==0){
					digitalWrite(IN3,HIGH);
				} else {
					printf("指令有误！\n");
				}
				break;
			case '4':
				if(strcmp(choice,"on")==0){
					digitalWrite(IN4,LOW);
				} else if(strcmp(choice,"off")==0){
					digitalWrite(IN4,HIGH);
				} else {
					printf("指令有误！\n");
				}
				break;
			case '0'://全体控制
                if(strcmp(choice,"on")==0){
                    digitalWrite(IN1,LOW);
                    digitalWrite(IN2,LOW);
                    digitalWrite(IN3,LOW);
                    digitalWrite(IN4,LOW);
                } else if(strcmp(choice,"off")==0){
                    digitalWrite(IN1,HIGH);
                    digitalWrite(IN2,HIGH);
                    digitalWrite(IN3,HIGH);
                    digitalWrite(IN4,HIGH);
                } else {
                    printf("指令有误！\n");
                }
                break;
			deafult:
				printf("继电器选择错误！\n");
				break;
		}
		memset(cmd,'\0',sizeof(cmd));
	}
}

超声波模块

超声波测距原理

首先看一下超声波模块的实物图：

超声波模块

该模块共有VCC、GND、Echo、Trig四个接口，其中Trig为触发测距信号，对单片机来说是输出口，Echo为测距结果返回信号，对单片机来说是输入口。

模块的主要参数：

  • 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，“响应”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。

下图是超声波模块的时序逻辑：

超声波测距时序逻辑

也即：

  • 测距信号触发方法：
    Trig，给Trig端口至少10us的高电平
  • 怎么知道开始发超声波了：
    Echo信号，由低电平跳转到高电平，表示开始发送波
  • 怎么知道接收了返回波：
    Echo，由高电平跳转回低电平，表示波回来了
  • 怎么算时间：
    Echo引脚维持高电平的时间，即：
    波发出去的那一下，开始启动定时器；
    波回来的拿一下，我们开始停止定时器，计算出中间经过多少时间
  • 怎么算距离：
    距离=速度（340m/s）*时间/2
测距编程实现

具体代码参照orangepiZero2超声波模块，主要注意几个关键点：

  1. wiringPiSetup()初始化
  2. pinMode()设置IO属性
  3. 时序逻辑，超声波发射与反射的标志以及如何体现
  4. 时间结构体timeval的内容

其他外设的开发，后续课程内容（智能家居部分）会进一步接触。

嵌入式
#Linux #嵌入式 #树莓派 #wiringPi
树莓派学习笔记（三）：外设开发综述
https://dockingyuan.top/2023/01/05/raspberry/3-树莓派外设开发综述/
作者
Yuan Yuan
发布于
2023年1月5日
许可协议