6.3　使用RPi.GPIO模块

RPi.GPIO是Python的一个模块，树莓派系统默认已经安装了该模块。本节将详细介绍如何使用Python的RPi.GPIO模块控制GPIO。

6.3.1　基本用法

用下面的代码导引RPi.GPIO模块：

 
     import RPi.GPIO as GPIO

引入之后，就可以使用GPIO模块中的函数了。检查模块是否引入成功的代码如下：

在RPi.GPIO中，同时支持树莓派上的两种GPIO引脚编号：

BOARD编号，它和树莓派开发板上的物理引脚编号相对应。使用这种编号的好处是，硬件将是一直可以使用的，不用担心树莓派的版本问题。因此，在开发板升级后，不需要重写连接器或代码。

BCM编号，使用更底层的工作方式，是指Broadcom SOC上的通道号。在使用一个引脚时，需要查找信道号和物理引脚编号之间的对应规则。对于不同的树莓派版本，编写的脚本文件可能是无法通用的。

使用下列代码（强制的）指定一种编号规则：

或者使用下面代码查看设置的编号规则：

 
     mode = GPIO.getmode()

Raspberry Pi的GPIO上可能有多个脚本／电路，如果RPi.GPIO检测到某个引脚已配置为默认值（输入）以外的其他值，则在尝试配置脚本时会收到警告。可以通过下面代码禁用这些警告：

 
     GPIO.setwarnings(False)

在使用一个引脚前，需要设置引脚作为输入还是输出。配置一个引脚的代码如下所示：

也可以一次设置多个通道（从0.5.8开始），例如：

需要读取引脚的输入状态时可使用如下代码获得：

如果想点亮一个LED，或者驱动某个设备，设置引脚的输出状态即可，代码如下：

如果想一次性设置多个引脚，可使用下面的代码：

一般来说，程序运行到最后都需要释放资源，可以避免损坏树莓派。释放脚本中使用的引脚的代码如下：

最后，如果要查看RPi开发板信息和RPi.GPIO版本，可以使用如下代码：

6.3.2　模块的输入

我们在上一节介绍了可通过下面代码获取引脚的输入状态：

如果输入引脚处于“悬空状态”（没有连接任何元件），引脚的值将是漂动的，即读取到的值是未知的，因为它并没有被连接到任何信号上，直到按下一个按钮或开关。由于干扰的影响，输入的值可能会反复变化。

为了解决这个问题，可以使用硬件或软件对电阻进行上拉／下拉。使用硬件方式，常将一个10kΩ的电阻连接在输入通道与3.3V（上拉）或0V（下拉）之间。RPi.GPIO也可以通过软件的方式配置Broadcom SOC来达到目的，代码如下：

需要注意的是，上面的读取代码只是获取当前一瞬间的引脚输入信号。如果需要实时监控引脚的状态变化，通常有两种方法。

最简单的方式是每隔一段时间检查输入的信号值，这种方式被称为轮询。如果程序读取的时机错误，则很可能会丢失输入信号。轮询是在循环中执行的，这种方式比较占用处理器资源。具体代码如下：

另一种响应GPIO输入的方式是使用中断（边缘检测），这里的边缘是指信号状态的改变，从低到高（上升沿）或从高到低（下降沿）。通常情况下，我们更关心输入状态的改变而不是输入信号的值，这种状态的改变被称为“事件”。为了避免程序忙于做其他事情时按下按钮，有两种方法可以解决这个问题：

使用wait_for_edge()函数。wait_for_edge()用于阻止程序的继续执行，直到检测到一个边沿。也就是说，上面代码中等待按钮按下的实例可以改写为：

使用add_event_detect()函数。该函数对一个引脚进行监听，一旦引脚输入状态发生了改变，调用event_detected()函数返回true，可参考如下代码：

上面的代码需要新建一个线程循环检测event_detected()的值，比较麻烦。可采用另一种办法轻松检测状态，其方式是直接传入一个回调函数：

如果想设置多个回调函数，可以使用如下代码：

不难发现，每次按下按钮时，回调操作不止一次被调用。这种现象称作开关抖动（switch bounce）。通常有两种方法解决开关抖动问题。第一种是将一个0.1μF的电容连接到开关上，第二种是使用软件防止抖动，在指定的回调函数中添加bouncetime=参数。而大多数情况下，是两种方式一起用。在使用软件去除抖动时，抖动时间需要使用ms为单位进行书写，参考如下代码：

如果不希望程序检测边缘事件，可以将它停止：

 
     GPIO.remove_event_detect(channel)

6.3.3　脉冲宽度调制

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的电压调整方法，其应用非常广泛，可以用于控制直流电机的转速、舵机转角角度等。为更好地理解和使用PWM，我们首先需要了解以下两个概念：

频率。频率以Hz为单位，它是一个脉冲信号时间周期的倒数。如果PWM的输出频率比较低，例如只有5Hz，那么在控制一个LED时，LED就会一闪一闪的，较高的频率可以让运行更为平滑，但PWM的输出频率并不能无限提高，而且在高频情况下，测定的PWM频率与作为树莓派参数提供的频率略有出入。因此，在使用PWM时，应该选择一个合适的频率，对于控制一个LED的亮度，一般100Hz就足够了。

占空比。占空比是输出的PWM脉冲信号中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期之比，如图6.8所示，占空比= t 1/ T = t 1/( t 1+ t 2)。假设PWM脉冲的频率为1000Hz，那么它的时钟周期 T 就是1ms（即1000μs），如果高电平持续时间 t 1为200μs，低电平的时间 t 2为800μs，那么占空比就是200:1000（即1:5）。

图6.8　PWM脉冲信号

从应用的角度，可以简单地将PWM理解为通过改变脉冲信号的频率和高电平的持续时间（或占空比）来实现电压控制的一种方法。图6.9显示了三个由GPIO输出的PWM信号（电压为3.3V），第一个信号是一个占空比为20%的PWM输出，即在信号周期中，20%的时间为高电平（1），其余80%的时间为低电平（0），对应的电压为满幅值的20%（0.66V）。第二、三个信号分别是占空比为50%和80%的PWM输出，对应的电压分别为1.65V和2.64V。

图6.9　GPIO输出PWM信号

在树莓派上，可以通过对GPIO的编程来实现PWM，RPi.GPIO库提供了PWM功能。下面代码为PWM功能的简单应用。

也可以参考以下代码示例，其可使LED每2s闪烁一次：