讓你的 Raspberry Pi 透過 GPIO 閃爍 LED 燈
Raspberry Pi 提供了許多的 GPIO 讓使用者可以配合電路來做出許多不同的設計， 本篇文章使用 Raspbian 作為 Raspberry Pi 的系統，並透過 Python、C 語言與 newlisp 幾種類型的範例，來展示如何在 Raspberry Pi 下透過 GPIO 來操作 GPIO。
使用設備
要完成本篇文章所描述的部份，你需要以下幾種器材
- 1. Raspberry Pi
- 2. LED
- 3. 電阻 220 Ω 或其他適合阻值
- 4. 麵包板
- 5. 單蕊線
硬體線路
下面的硬體線路使用 Fritzing 軟體來繪製， 我們連接 Raspberry Pi 的 GPIO4 (Pin 7) 到 LED 的陽極並加上一個保護 LED 用的限流電阻 220 Ω。(下載設計檔案)
使用 Linux Kernel 提供的 sysfs 來控制 GPIO
在要寫程式之前，我們先來使用 Linux Kernel 提供的 sysfs 來控制 GPIO。
- 首先先將 GPIO4 設定成可以用 sysfs 控制
echo 4 > /sys/class/gpio/export
- 設定 GPIO4 為輸出腳
echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction
- 設定 GPIO4 輸出值為 1 (0: 低電位, 1: 高電位)
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio4/value
- 設定 GPIO4 輸出值為 0 (0: 低電位, 1: 高電位)
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio4/value
- 取消建立出來的 GPIO4 node
echo 4 > /sys/class/gpio/unexport
在你執行以上第 3 步的時候，你可以看到 LED 亮了起來，直到第 4 步時，才又變 回原本的狀態。
若想要使用 Bash 來控制 GPIO，則可以採用此種方式。
使用 debugfs 來觀看目前的 GPIO 設定
我們可以使用 debugfs 來察看目前的 GPIO 設定，首先掛載 debugfs
root@raspberrypi:/home/pi# mount -t debugfs debug /d
接著就可以使用
root@raspberrypi:/home/pi# cat /d/gpio
來取得目前 GPIO 的狀況
root@raspberrypi:/home/pi# cat /d/gpio
GPIOs 0-53, bcm2708_gpio:
gpio-4 (sysfs ) out hi
使用 C 語言控制 GPIO (不使用外部函式庫)
C 語言因為提供了指標，可以任意的去修改記憶體的某個部份，因此我們也可 以透過修改記憶體區塊的方式，來設定我們的 GPIO。
以下程式修改自 elinux 的範例，首先點亮 GPIO4 上的 LED 一秒後，再關閉。
/* Modified from http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#define BCM2708_PERI_BASE 0x20000000
#define GPIO_BASE (BCM2708_PERI_BASE + 0x200000) /* GPIO controller */
#define PAGE_SIZE (4 * 1024)
#define BLOCK_SIZE (4 * 1024)
int mem_fd;
void *gpio_map;
/* I/O access */
volatile unsigned *gpio;
/* GPIO setup macros. Always use INP_GPIO(x) before using OUT_GPIO(x) or SET_GPIO_ALT(x,y) */
#define INP_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) &= ~(7<<(((g)%10)*3))
#define OUT_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) |= (1<<(((g)%10)*3))
#define SET_GPIO_ALT(g,a) *(gpio+(((g)/10))) |= (((a)<=3?(a)+4:(a)==4?3:2)<<(((g)%10)*3))
#define GPIO_SET *(gpio+7) /* sets bits which are 1 ignores bits which are 0 */
#define GPIO_CLR *(gpio+10) /* clears bits which are 1 ignores bits which are 0 */
/**
* Set up a memory regions to access GPIO
*
*/
void setup_io()
{
/* open /dev/mem */
if ((mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR|O_SYNC) ) < 0) {
printf("can't open /dev/mem \n");
exit(-1);
}
/* mmap GPIO */
gpio_map = mmap(
NULL, /* Any adddress in our space will do */
BLOCK_SIZE, /* Map length */
PROT_READ|PROT_WRITE, /* Enable reading & writting to mapped memory */
MAP_SHARED, /* Shared with other processes */
mem_fd, /* File to map */
GPIO_BASE /* Offset to GPIO peripheral */
);
close(mem_fd); /* No need to keep mem_fd open after mmap */
if (gpio_map == MAP_FAILED) {
printf("mmap error %d\n", (int)gpio_map); /* errno also set! */
exit(-1);
}
/* Always use volatile pointer! */
gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;
}
int main(int argc, char **argv)
{
/* Set up gpi pointer for direct register access */
setup_io();
/* Must use INP_GPIO before we can use OUT_GPIO */
INP_GPIO(g);
OUT_GPIO(g);
/* Set GPIO4 to 1 */
GPIO_SET = 1 << 4;
sleep(1);
/* Clear GPIO 4 */
GPIO_CLR = 1 << 4;
sleep(1);
return 0;
}
使用 C 語言控制 GPIO (使用 BCM2835 函式庫)
BCM2835 C library 是針對 BCM2835 CPU 用的 C 語言函式庫，透過他你可以輕鬆 的使用 C 語言去控制 Raspberry Pi 的 GPIO、I²C 等裝置，第一次使用這個函式庫 時，需要自己下載來編譯。
wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.25.tar.gz
tar zxvf bcm2835-1.25.tar.gz
cd bcm2835-1.25
./configure
make
sudo make install
接著我們就可以寫如下的 C 語言程式來閃爍我們的 LED。
/* Compile with: gcc blink.c -o blink -l bcm2835 */
#include <bcm2835.h>
/* Blinks on RPi pin 7 */
#define PIN RPI_GPIO_P1_7
int main(int argc, char **argv) {
if ( !bcm2835_init() ) {
perror("Error");
return 1;
}
/* Set the pin to be an output */
bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);
/* Blink LED */
while (1) {
/* Turn on LED */
bcm2835_gpio_write(PIN, HIGH);
/* Delay 500ms */
delay(500);
/* Turn off LED */
bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);
/* Delay 500ms */
delay(500);
}
return 0;
}
使用 Python 控制 GPIO
在 Raspbian 發行版當中，已經預先將 RPi.GPIO 模組包入，因此你可以直接 寫以下的 python 程式來控制 GPIO4，要注意的是，RPi.GPIO 設定的 GPIO 是採 用 Pin number，也就是說若我要修改 GPIO4 (Pin 7)，則實際上呼叫 Rpi.GPIO 的號碼為 7 ，而不是 4 。
import RPi.GPIO as GPIO
import time
# blinking function
def blink(pin):
GPIO.output(pin,GPIO.HIGH)
time.sleep(1)
GPIO.output(pin,GPIO.LOW)
time.sleep(1)
return
# to use Raspberry Pi board pin numbers
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# set up GPIO output channel, we set GPIO4 (Pin 7) to OUTPUT
GPIO.setup(7, GPIO.OUT)
# blink GPIO4 (Pin 7) 50 times
for i in range(0,50):
blink(7)
GPIO.cleanup()
使用 newlisp 控制 GPIO
newlisp 是屬於 script language，若不透過他的 FFI (Foreign Function Interface)，則要在 newlisp 下控制 GPIO 的最好方法就是更改 sysfs 下的 GPIO 資訊。
我們可以使用 raspi-gpio 模組來簡化 nwelisp 下修改 GPIO 資訊的步驟，首先 先下載 raspi-gpio.lsp
wget https://raw.github.com/gatesphere/raspi-gpio-newlisp/master/raspi-gpio.lsp
接著你就可以寫以下的 newlisp 程式來閃爍 LED
#!/usr/bin/env newlisp
(load "raspi-gpio.lsp")
(define (blink gpio)
;; Make GPIO to 1
(GPIO:digital-write gpio GPIO:high)
;; delay 500ms
(sleep 500)
;; Make GPIO to 0
(GPIO:digital-write gpio GPIO:low)
;; delay 500ms
(sleep 500))
;; Enable use GPIO4
(GPIO:enable-pin 4)
;; Set GPIO4 as output
(GPIO:pin-mode 4 GPIO:out)
;; Blink GPIO4 50 times
(dotimes (x 50) (blink 4))
;; Disable use GPIO4
(GPIO:disable-pin 4)
;; End of Application
(exit)