樹莓派GPIO口的使用（外設相關開發WringPi庫的使用，超聲波、繼電器）

樹莓派的接口：

  • 大而簡單的類別：IO口，input和output是相對于主控芯片來說的，是根據MCU和外設之間的關系將IO口的功能分為output和input。當IO作為input使用時外設有：人體傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、振動傳感器等等；當IO作為output使用時的外設有：繼電器、蜂鳴器等等。
  • PWM輸出IO口用來電機調速、燈光調亮度等等、串口、IIC、SPI、IIS和其他特定硬件的接口等等。
  • 像我們之前接觸過的C51、STM32、Arduino等等這類的單片機是直接基于裸機的開發，而像樹莓派、Nanopi、Tiny210這些設備是基于操作系統的，裸機的驅動和操作系統的驅動還是有很大的區別的。
  • 樹莓派外設開發接口庫：WiringPi庫（就是別人幫你做好的很多的接口很多的API你只需要了解如何調用這些API和了解這些API如何使用就好，他就是特定平臺特定功能的接口組成的庫）至于API是如何驅動硬件工作的，后面會在驅動這一塊詳細講解。

WiringPi庫詳解：
wiringPi是一個很棒的樹莓派IO控制庫，使用C語言開發，提供了豐富的接口：GPIO控制，中斷，多線程，等等。自己的樹莓派可能會有這個庫也有可能沒有，在樹莓派終端輸入指令：gpio -v查看有沒有裝WiringPi庫，出現下圖所示表示已經有WiringPi庫了（這里的版本是2.50）
在這里插入圖片描述如果沒有裝的話，它會提示指令不認識，可以根據以下步驟安裝：

  • 進入 wiringPi 下載安裝包。然后進入安裝包所在的目錄執行以下命令：

tar xfz wiringPi-98bcb20.tar.gz //98bcb20為版本標號，可能不同
cd wiringPi-98bcb20
./build

  • 當然也可以通過終端命令來安裝WiringPi庫，安裝Git如果你的系統還沒有安裝Git版本控制工具，請先安裝Git:輸入命令：sudo apt-get install git-core下載wiringPi庫輸入命令：git clone git://git.drogon.net/wiringPi安裝輸入命令：cd wiringPi和./build安裝完成后，測試是否安裝成功輸入命令：gpio -v
  • 接下來就是WringPi庫的使用了，使用gpio readall可以查看樹莓派GPIO的功能分布，還有就是使用樹莓派的時候如果用到WringPi庫編譯時要鏈上樹莓派的WringPi庫就像之前的使用多線程編程一樣，-lwiringPi

WringPi庫API大全：

  • 硬件初始化函數，使用wiringPi時，你必須在執行任何操作前初始化樹莓派，否則程序不能正常工作。可以調用下表函數之一進行初始化，它們都會返回一個int ， 返回 -1 表示初始化失敗。 在使用wiringPi庫時，你需要包含頭文件 #include<wiringPi.h>。凡是寫wiringPi的程序，都包含這個頭文件。
int wiringPiSetup (void)
說明：當使用這個函數初始化樹莓派引腳時，程序使用的是wiringPi 引腳編號表。引腳的編號為 0~16需要root權限返回值：返回:執行狀態，-1表示失敗int wiringPiSetupGpio (void)
說明：當使用這個函數初始化樹莓派引腳時，程序中使用的是BCM GPIO 引腳編號表。需要root權限返回值：返回執行狀態，-1表示失敗wiringPiSetupPhys(void)和wiringPiSetupSys (void)不太常用，不做介紹。
  • 通用GPIO控制函數
void pinMode (int pin, int mode)
參數：pin：配置的引腳、mode:指定引腳的IO模式可取的值：INPUT、OUTPUT、PWM_OUTPUT，GPIO_CLOCK。
作用：配置引腳的IO模式。
注意：
只有wiringPi 引腳編號下的1腳（BCM下的18腳） 支持PWM輸出
只有wiringPi編號下的7（BCM下的4號）支持GPIO_CLOCK輸出void digitalWrite (int pin, int value)
參數：pin：控制的引腳、value：引腳輸出的電平值、 可取的值：HIGH，LOW分別代表高低電平。
功能：讓對一個已近配置為輸出模式的 引腳  輸出指定的電平信號。int digitalRead (int pin)
參數：pin：讀取的引腳、返回：引腳上的電平，可以是LOW HIGH 之一
功能：讀取一個引腳的電平值  LOW  HIGH ，返回void analogWrite(int pin, int value)
參數：pin:引腳、value：輸出的模擬量
功能：模擬量輸出、樹莓派的引腳本身是不支持AD轉換的，也就是不能使用模擬量的API，需要增加另外的模塊int analogRead (int pin)
參數：pin：引腳、返回：引腳上讀取的模擬量
功能：模擬量輸入、樹莓派的引腳本身是不支持AD轉換的，也就是不能使用模擬量的API，需要增加另外的模塊void pwmWrite (int pin, int value)
參數：pin：引腳、value：寫入到PWM寄存器的值，范圍在0~1024之間。
功能：輸出一個值到PWM寄存器，控制PWM輸出。pin只能是wiringPi 引腳編號下的1腳（BCM下的18腳）void pullUpDnControl (int pin, int pud)
參數：pin：引腳、pud：拉電阻模式，可取的值：PUD_OFF不啟用任何拉電阻，關閉拉電阻。
PUD_DOWN啟用下拉電阻，引腳電平拉到GND。PUD_UP啟用上拉電阻，引腳電平拉到3.3v
功能：對一個設置IO模式為 INPUT 的輸入引腳設置拉電阻模式。與Arduino不同的是，樹莓派支持的拉電阻模式更豐富。樹莓派內部的拉電阻達50K歐姆
  • 時間控制函數
unsigned int millis (void)
功能：這個函數返回一個從你的程序執行wiringPiSetup初始化函數（或者wiringPiSetupGpio）到當前時間經過的毫秒數。
返回類型是：unsigned int，最大可記錄 大約49天的毫秒時長。unsigned int micros (void)
功能：這個函數返回 一個從你的程序執行wiringPiSetup初始化函數（或者wiringPiSetupGpio ）到當前時間 經過的微秒數。
返回類型是：unsigned int，最大可記錄 大約71分鐘的時長。void delay (unsigned int howLong)
功能：將當前執行流暫停指定的毫秒數。因為Linux本身是多線程的，所以實際暫停時間可能會長一些。
參數是：unsigned int 類型，最大延時時間可達49天void delayMicroseconds (unsigned int howLong)
功能：將執行流暫停指定的微秒數（1000微秒 = 1毫秒 = 0.001秒。因為Linux本身是多線程的，所以實際暫停時間可能會長一些。
參數是：unsigned int 類型，最大延時時間可達71分鐘
  • 中斷：wiringPi提供了一個中斷處理注冊函數，它只是一個注冊函數，并不處理中斷。他無需root權限。
int wiringPiISR (int pin, int edgeType,  void (*function)(void))
功能：注冊的函數會在中斷發生時執行和51單片機不同的是：這個注冊的中斷處理函數會和main函數并發執行（同時執行，誰也不耽誤誰）當本次中斷函數還未執行完畢，這個時候樹莓派又觸發了一個中斷，那么這個后來的中斷不會被丟棄，它仍然可以被執行。但是wiringPi最多可以跟蹤并記錄后來的僅僅1個中斷，如果不止1個，則他們會被忽略，得不到執行。
參數：pin：接受中斷信號的引腳edgeType：觸發的方式。INT_EDGE_FALLING：下降沿觸發INT_EDGE_RISING：上升沿觸發INT_EDGE_BOTH ：上下降都會觸發INT_EDGE_SETUP：編程時用不到。       function：中斷處理函數的指針，它是一個無返回值，無參數的函數。
  • 多線程：wiringPi提供了簡單的Linux系統下的通用的 Posix threads線程庫接口來支持并發。因為之前學習過linux多線程的開發，所以一般不用這個WringPi庫里面的多線程函數，他這里面的函數也是機=基于linux線程封裝的
int piThreadCreate(name)
參數：name:被包裝的線程執行函數
返回值：狀態碼。返回0表示成功啟動，反之失敗。
源代碼：
int piThreadCreate (void *(*fn)(void *))
{pthread_t myThread ;return pthread_create (&myThread, NULL, fn, NULL) ;
}
包裝一個用PI_THEEAD定義的函數為一個線程，并啟動這個線程。
首先你需要通過以下方式創建一個特特殊的函數。這個函數中的代碼就是在新的線程中將執行的代碼。myTread是你自己線程的名字，可自定義。
PI_THREAD (myThread)
{//在這里面寫上的代碼會和主線程并發執行。
}
在wiringPi.h中，我發現這樣一個宏定義：#define PI_THREAD(X) void *X (void *dummy)
那么，被預處理后我們寫的線程函數會變成下面這個樣子，請注意返回值，難怪我每次寫都會警告，因為沒有返回一個指針，
那么，以后注意返回NULL，或者 (void*)0  
void *myThread (void *dummy)
{//在這里面寫上的代碼會和主線程并發執行。
}piLock(int keyNum)
功能：使能同步鎖。wiringPi只提供了4把鎖，也就是keyNum只能取0~3的值，官方認為有這4把鎖就夠了。
參數：keyNum：0,1,2,3 每一個數字就代表一把鎖。
源代碼：
void piLock (int keyNum)
{pthread_mutex_lock (&piMutexes [keyNum]) ;
}piUnlock(int keyNum)
功能：解鎖，或者說讓出鎖。 
參數：keyNum:0-3的值，每一個值代表一把鎖
解鎖，或者說讓出鎖。
源代碼：
void piUnlock (int key)
{pthread_mutex_unlock (&piMutexes [key]) ;
}int piHiPri (int priority) 
功能：設定線程的優先級，設定線程的優先級變高，不會使程序運行加快，但會使這個線程獲得相當更多的時間片。priority是相對的。比如你的程序只用到了主線程和另一個線程A，主線程設定優先級為1，A線程設定為2，那也代表A比main線程優先級高。
參數：priority：優先級指數，0~99
返回值：0：成功,-1:失敗。
  • softPwm，軟件實現的PWM，樹莓派硬件上支持的PWM輸出的引腳有限，為了突破這個限制，wiringPi提供了軟件實現的PWM輸出API。需要包含頭文件：#include <softPwm.h>編譯時需要添pthread庫鏈接 -lpthread
int softPwmCreate (int pin, int initialValue, int pwmRange)
功能：使用一個指定的pin引腳創建一個模擬的PWM輸出引腳
參數：pin：用來作為軟件PWM輸出的引腳initalValue：引腳輸出的初始值pwmRange：PWM值的范圍上限，建議使用100.
返回：0表示成功。void softPwmWrite (int pin, int value)
功能：更新引腳輸出的PWM值
參數：pin：通過softPwmCreate創建的引腳value：PWM引腳輸出的值
  • 串口通信，使用時需要包含頭文件：#include <wiringSerial.h>
int serialOpen (char *device, int baud)
功能：打開并初始串口
參數：device:串口的地址，在Linux中就是設備所在的目錄。默認一般是"/dev/ttyAMA0",我的是這樣的。baud：波特率
返回：正常返回文件描述符，否則返回-1失敗。void serialClose (int fd)
功能：關閉fd關聯的串口
參數：fd：文件描述符void  serialPutchar (int fd, unsigned char c)
功能：發送一個字節的數據到串口
參數：fd:文件描述符c:要發送的數據void  serialPuts (int fd, char *s) 
功能：發送一個字符串到串口
參數：fd：文件描述符s：發送的字符串，字符串要以'\0'結尾void  serialPrintf (int fd, char *message, …)
功能：像使用C語言中的printf一樣發送數據到串口
參數：fd：文件描述符message：格式化的字符串 int   serialDataAvail (int fd)
功能：獲取串口緩存中可用的字節數。
參數：fd：文件描述符
返回：串口緩存中已經接收的，可讀取的字節數，-1代表錯誤int serialGetchar (int fd)
功能：從串口讀取一個字節數據返回。如果串口緩存中沒有可用的數據，則會等待10秒，如果10后還有沒，返回-1所以，在讀取前，做好通過serialDataAvail判斷下。
參數：fd：文件描述符
返回：讀取到的字符void serialFlush (int fd)
功能：刷新，清空串口緩沖中的所有可用的數據。
參數：fd：文件描述符*size_t write (int fd,const void * buf,size_t count)
功能：這個是Linux下的標準IO庫函數，需要包含頭文件#include <unistd.h>當要發送到的數據量過大時，wiringPi建議使用這個函數。*size_t read(int fd,void * buf ,size_t count); 
功能：這個是Linux下的標準IO庫函數，需要包含頭文件#include <unistd.h>當要接收的數據量過大時，wiringPi建議使用這個函數。
參數：fd：文件描述符buf：接受的數據緩存的數組count:接收的字節數.
返回：實際讀取的字符數。
  • 初次使用樹莓派串口編程，需要配置。
/* 修改 cmdline.txt文件 */
>cd /boot/
>sudo vim cmdline.txt
刪除【】之間的部分
dwc_otg.lpm_enable=0 【console=ttyAMA0,115200】 kgdboc=ttyAMA0,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 elevator=deadline rootwait/*修改 inittab文件 */
>cd /etc/
>sudo vim inittab
注釋掉最后一行內容:，在前面加上 # 號
#T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100
sudo reboot 重啟
  • shift移位寄存器芯片API，需要包含頭文件 #include <wiringShift.h>，用過595的都知道還有一個引腳：12腳，Rpin，用于把移位寄存器中的數據更新到存儲寄存器中，然后wiringPi的API中沒有使用這個引腳。我建議使用的時候自己加上。
void shiftOut (uint8_t dPin, uint8_t cPin, uint8_t order, uint8_t val)
功能：將val串化，通過芯片轉化為并行輸出，如常見的74HC595
參數：dPin：移位芯片的串行數據入口引腳，比如74HC595的SER腳cPin：移位芯片的時鐘引腳。如74HC595的11腳order：LSBFIRST 先發送數據的低位MSBFIRST先發送數據的高位
val：要發送的8位數據uint8_t shiftIn (uint8_t dPin, uint8_t cPin, uint8_t order) 
功能：將并行數據，通過芯片轉化為串行輸出。
參數同上。
  • 樹莓派硬件平臺特有的API，并沒有列全，我只是列出了相對來說有用的，其他的，都基本不會用到。pwmSetMode、pwmSetRange、pwmSetClock函數應該都是硬件PWM的函數。
pwmSetMode (int mode)
功能：設置PWM的運行模式。pwm發生器可以運行在2種模式下，通過參數指定：PWM_MODE_BAL：樹莓派默認的PWM模式PWM_MODE_MS：傳統的pwm模式
參數：mode：PWM運行模式pwmSetRange (unsigned int range)
功能：設置pwm發生器的數值范圍，默認是1024
參數：range，范圍的最大值，0~rangepwmSetClock (int divisor)
功能：這設置了PWM時鐘的除數默認是32分頻，也就是19.2/32 = 600KHZ，因此不調用此函數，pwm的默認工作時鐘為600KHz.piBoardRev (void) 
返回：樹莓派板子的版本編號，1或者2。

Wringpi庫部分參考博客：https://ww.cnblogs.com/lulipro/p/5992172.html

  • 使用指令uname -r查看樹莓派的版本，下載linux內核源碼的時候可以使用。

使用樹莓派控制第一個外設——繼電器模塊：

  • 繼電器模塊如下圖，控制端一共有三個針腳，其中使用3.3V供電和連接GND，另一個接口IN連接樹莓派的GPIO進行控制，低電平拉低繼電器另一端導通，高電平繼電器另一端不導通。
    在這里插入圖片描述

  • 可以使用指令gpio readall來查看GPIO的功能圖

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <wiringPi.h>
int main()
{int initReturn;char* cmd;cmd=(char*)malloc(128);initReturn=wiringPiSetup();if(initReturn==-1)printf("init fail\n");pinMode(1,OUTPUT);//初始化IO口功能while(1){memset(cmd,'\0',128);printf("please input cmd\n");scanf("%s",cmd);if(strcmp(cmd,"open")==0)digitalWrite(1,LOW);//繼電器導通else if(strcmp(cmd,"close")==0)digitalWrite(1,HIGH);//繼電器不導通memset(cmd,'\0',128);}return 0;
}
  • 上面是控制繼電器的代碼，編譯的時候要使用指令gcc switch.c -o switch -lwiringPi注意：要加上wiringPi庫

樹莓派外設——超聲波模塊：
在這里插入圖片描述在這里插入圖片描述

  • 超聲波模塊上面通常有兩個超聲波元器件，一個用于發射，一個用于接收。電路板上有四個引腳：VCC（正極）、Trig（觸發）、Echo（接收）、GND（接地）
  • 超聲波的主要參數：工作電壓與電流：5V、15mA；測距范圍：2~400cm；感測角度：不大于15°；被測物的面積不要小于50平方厘米并且盡量平整；具備溫度補償電路
  • 工作原理：在超聲波的觸發腳位輸入10微妙以上的高電位，即可發射超聲波，發射超聲波以后與接收傳回的超聲波之前，“接收引腳”呈現高電位，因此，程序可以從“接收引腳”的高電位脈沖持續時間，換算出被測物的距離。
#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>
#define Echo 4
#define Trige 5
int main()
{int timeone,timetwo;float distance;wiringPiSetup();pinMode(Trige,OUTPUT);pinMode(Echo,INPUT);while(1){digitalWrite(Trige,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(Trige,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(Trige,LOW);while(digitalRead(Echo)!=HIGH);//確保Echo引腳在計時前為低電平timeone=micros();//得到程序運行到此位置的時間while(digitalRead(Echo)==HIGH);timetwo=micros();//得到程序運行到此位置的時間distance=(float)(timetwo-timeone)/58;//timetwo-timeone為Echo高電平持續的時間，單位是us除以58即可得到距離。printf("distance is %0.2f cm\n",distance);delay(100);}return 0;
}
  • 上面那個超聲波測距的程序是我自己寫的，下面這個是從網上查找的，感覺比我寫的高大上。
#include <wiringPi.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#define Trig    4
#define Echo    5void ultraInit(void)
{pinMode(Echo, INPUT);  //設置端口為輸入pinMode(Trig, OUTPUT);  //設置端口為輸出
}float disMeasure(void)
{struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的預定義結構體 其中包含兩個一個是秒，一個是微秒/*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);      //發出超聲波脈沖digitalWrite(Trig, LOW);while(digitalRead(Echo) != 1));gettimeofday(&tv1, NULL);           //獲取當前時間 開始接收到返回信號的時候while(!(digitalRead(Echo) == 0));gettimeofday(&tv2, NULL);           //獲取當前時間  最后接收到返回信號的時候/*int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);The functions gettimeofday() and settimeofday() can get and set the time as well as a timezone.The use of the timezone structure is obsolete; the tz argument should normally be specified as NULL.*/start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒級的時間stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //計算時間差求出距離return dis;
}int main(void)
{float dis;if(wiringPiSetup() == -1){ //如果初始化失敗，就輸出錯誤信息 程序初始化時務必進行printf("setup wiringPi failed !");return 1;}ultraInit();while(1){dis = disMeasure();printf("distance = %0.2f cm\n",dis);delay(1000);}return 0;
}
  • linux時間函數如下：
#include "sys/time.h"
struct timeval  
{  
__time_t tv_sec;        /* Seconds. */  
__suseconds_t tv_usec;  /* Microseconds. */  
};
  • 用法很簡單，先定義時間結構體變量，然后使用gettimeofday(&tv_b,NULL)函數獲取當前時間，然后就可以計算出來時間差。示例如下：
gettimeofday(&tv_b,NULL);
/*  a piece of codes ......*/
gettimeofday(&tv_d,NULL);
timeconsumed = tv_d.tv_sec-tv_b.tv_sec +(tv_d.tv_usev-tv_b.tv_usec)/1000000;//以秒為單位

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ULN是集成達林頓管IC&#xff0c;內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管&#xff0c;可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓50V,電流500mA,輸入電壓5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。ULN是集成達林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢…
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RocketMQ核心概念

RocketMQ核心概念

生產者Producer和消費者Consumer NameServer作用 Broker和Topic
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交叉編譯、軟硬鏈接

交叉編譯、軟硬鏈接

什么是交叉編譯&#xff1f;交叉編譯是一個行為&#xff0c;是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執行代碼。 本地編譯&#xff1a;本地編譯可以理解為&#xff0c;在當前編譯平臺下&#xff0c;編譯出來的程序只能放到當前平臺下運行。平時我們常見的軟件開發&#xff0c;都是…
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