树莓派GPIO口的使用（外设相关开发WringPi库的使用，超声波、继电器）

树莓派的接口：

大而简单的类别：IO口，input和output是相对于主控芯片来说的，是根据MCU和外设之间的关系将IO口的功能分为output和input。当IO作为input使用时外设有：人体传感器、烟雾传感器、火焰传感器、振动传感器等等；当IO作为output使用时的外设有：继电器、蜂鸣器等等。
PWM输出IO口用来电机调速、灯光调亮度等等、串口、IIC、SPI、IIS和其他特定硬件的接口等等。
像我们之前接触过的C51、STM32、Arduino等等这类的单片机是直接基于裸机的开发，而像树莓派、Nanopi、Tiny210这些设备是基于操作系统的，裸机的驱动和操作系统的驱动还是有很大的区别的。
树莓派外设开发接口库：WiringPi库（就是别人帮你做好的很多的接口很多的API你只需要了解如何调用这些API和了解这些API如何使用就好，他就是特定平台特定功能的接口组成的库）至于API是如何驱动硬件工作的，后面会在驱动这一块详细讲解。

WiringPi库详解：
wiringPi是一个很棒的树莓派IO控制库，使用C语言开发，提供了丰富的接口：GPIO控制，中断，多线程，等等。自己的树莓派可能会有这个库也有可能没有，在树莓派终端输入指令：gpio -v查看有没有装WiringPi库，出现下图所示表示已经有WiringPi库了（这里的版本是2.50）
在这里插入图片描述如果没有装的话，它会提示指令不认识，可以根据以下步骤安装：

进入 wiringPi 下载安装包。然后进入安装包所在的目录执行以下命令：

tar xfz wiringPi-98bcb20.tar.gz //98bcb20为版本标号，可能不同
cd wiringPi-98bcb20
./build

当然也可以通过终端命令来安装WiringPi库，安装Git如果你的系统还没有安装Git版本控制工具，请先安装Git:输入命令：sudo apt-get install git-core下载wiringPi库输入命令：git clone git://git.drogon.net/wiringPi安装输入命令：cd wiringPi和./build安装完成后，测试是否安装成功输入命令：gpio -v
接下来就是WringPi库的使用了，使用gpio readall可以查看树莓派GPIO的功能分布，还有就是使用树莓派的时候如果用到WringPi库编译时要链上树莓派的WringPi库就像之前的使用多线程编程一样，-lwiringPi

WringPi库API大全：

硬件初始化函数，使用wiringPi时，你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。可以调用下表函数之一进行初始化，它们都会返回一个int ，返回 -1 表示初始化失败。在使用wiringPi库时，你需要包含头文件 #include<wiringPi.h>。凡是写wiringPi的程序，都包含这个头文件。

int wiringPiSetup (void)
说明：当使用这个函数初始化树莓派引脚时，程序使用的是wiringPi 引脚编号表。引脚的编号为 0~16需要root权限返回值：返回:执行状态，-1表示失败int wiringPiSetupGpio (void)
说明：当使用这个函数初始化树莓派引脚时，程序中使用的是BCM GPIO 引脚编号表。需要root权限返回值：返回执行状态，-1表示失败wiringPiSetupPhys(void)和wiringPiSetupSys (void)不太常用，不做介绍。

通用GPIO控制函数

void pinMode (int pin, int mode)
参数：pin：配置的引脚、mode:指定引脚的IO模式可取的值：INPUT、OUTPUT、PWM_OUTPUT，GPIO_CLOCK。
作用：配置引脚的IO模式。
注意：
只有wiringPi 引脚编号下的1脚（BCM下的18脚） 支持PWM输出
只有wiringPi编号下的7（BCM下的4号）支持GPIO_CLOCK输出void digitalWrite (int pin, int value)
参数：pin：控制的引脚、value：引脚输出的电平值、 可取的值：HIGH，LOW分别代表高低电平。
功能：让对一个已近配置为输出模式的 引脚  输出指定的电平信号。int digitalRead (int pin)
参数：pin：读取的引脚、返回：引脚上的电平，可以是LOW HIGH 之一
功能：读取一个引脚的电平值  LOW  HIGH ，返回void analogWrite(int pin, int value)
参数：pin:引脚、value：输出的模拟量
功能：模拟量输出、树莓派的引脚本身是不支持AD转换的，也就是不能使用模拟量的API，需要增加另外的模块int analogRead (int pin)
参数：pin：引脚、返回：引脚上读取的模拟量
功能：模拟量输入、树莓派的引脚本身是不支持AD转换的，也就是不能使用模拟量的API，需要增加另外的模块void pwmWrite (int pin, int value)
参数：pin：引脚、value：写入到PWM寄存器的值，范围在0~1024之间。
功能：输出一个值到PWM寄存器，控制PWM输出。pin只能是wiringPi 引脚编号下的1脚（BCM下的18脚）void pullUpDnControl (int pin, int pud)
参数：pin：引脚、pud：拉电阻模式，可取的值：PUD_OFF不启用任何拉电阻，关闭拉电阻。
PUD_DOWN启用下拉电阻，引脚电平拉到GND。PUD_UP启用上拉电阻，引脚电平拉到3.3v
功能：对一个设置IO模式为 INPUT 的输入引脚设置拉电阻模式。与Arduino不同的是，树莓派支持的拉电阻模式更丰富。树莓派内部的拉电阻达50K欧姆

时间控制函数

unsigned int millis (void)
功能：这个函数返回一个从你的程序执行wiringPiSetup初始化函数（或者wiringPiSetupGpio）到当前时间经过的毫秒数。
返回类型是：unsigned int，最大可记录 大约49天的毫秒时长。unsigned int micros (void)
功能：这个函数返回 一个从你的程序执行wiringPiSetup初始化函数（或者wiringPiSetupGpio ）到当前时间 经过的微秒数。
返回类型是：unsigned int，最大可记录 大约71分钟的时长。void delay (unsigned int howLong)
功能：将当前执行流暂停指定的毫秒数。因为Linux本身是多线程的，所以实际暂停时间可能会长一些。
参数是：unsigned int 类型，最大延时时间可达49天void delayMicroseconds (unsigned int howLong)
功能：将执行流暂停指定的微秒数（1000微秒 = 1毫秒 = 0.001秒。因为Linux本身是多线程的，所以实际暂停时间可能会长一些。
参数是：unsigned int 类型，最大延时时间可达71分钟

中断：wiringPi提供了一个中断处理注册函数，它只是一个注册函数，并不处理中断。他无需root权限。

int wiringPiISR (int pin, int edgeType,  void (*function)(void))
功能：注册的函数会在中断发生时执行和51单片机不同的是：这个注册的中断处理函数会和main函数并发执行（同时执行，谁也不耽误谁）当本次中断函数还未执行完毕，这个时候树莓派又触发了一个中断，那么这个后来的中断不会被丢弃，它仍然可以被执行。但是wiringPi最多可以跟踪并记录后来的仅仅1个中断，如果不止1个，则他们会被忽略，得不到执行。
参数：pin：接受中断信号的引脚edgeType：触发的方式。INT_EDGE_FALLING：下降沿触发INT_EDGE_RISING：上升沿触发INT_EDGE_BOTH ：上下降都会触发INT_EDGE_SETUP：编程时用不到。       function：中断处理函数的指针，它是一个无返回值，无参数的函数。

多线程：wiringPi提供了简单的Linux系统下的通用的 Posix threads线程库接口来支持并发。因为之前学习过linux多线程的开发，所以一般不用这个WringPi库里面的多线程函数，他这里面的函数也是机=基于linux线程封装的

int piThreadCreate(name)
参数：name:被包装的线程执行函数
返回值：状态码。返回0表示成功启动，反之失败。
源代码：
int piThreadCreate (void *(*fn)(void *))
{pthread_t myThread ;return pthread_create (&myThread, NULL, fn, NULL) ;
}
包装一个用PI_THEEAD定义的函数为一个线程，并启动这个线程。
首先你需要通过以下方式创建一个特特殊的函数。这个函数中的代码就是在新的线程中将执行的代码。myTread是你自己线程的名字，可自定义。
PI_THREAD (myThread)
{//在这里面写上的代码会和主线程并发执行。
}
在wiringPi.h中，我发现这样一个宏定义：#define PI_THREAD(X) void *X (void *dummy)
那么，被预处理后我们写的线程函数会变成下面这个样子，请注意返回值，难怪我每次写都会警告，因为没有返回一个指针，
那么，以后注意返回NULL，或者 (void*)0  
void *myThread (void *dummy)
{//在这里面写上的代码会和主线程并发执行。
}piLock(int keyNum)
功能：使能同步锁。wiringPi只提供了4把锁，也就是keyNum只能取0~3的值，官方认为有这4把锁就够了。
参数：keyNum：0,1,2,3 每一个数字就代表一把锁。
源代码：
void piLock (int keyNum)
{pthread_mutex_lock (&piMutexes [keyNum]) ;
}piUnlock(int keyNum)
功能：解锁，或者说让出锁。 
参数：keyNum:0-3的值，每一个值代表一把锁
解锁，或者说让出锁。
源代码：
void piUnlock (int key)
{pthread_mutex_unlock (&piMutexes [key]) ;
}int piHiPri (int priority) 
功能：设定线程的优先级，设定线程的优先级变高，不会使程序运行加快，但会使这个线程获得相当更多的时间片。priority是相对的。比如你的程序只用到了主线程和另一个线程A，主线程设定优先级为1，A线程设定为2，那也代表A比main线程优先级高。
参数：priority：优先级指数，0~99
返回值：0：成功,-1:失败。

softPwm，软件实现的PWM，树莓派硬件上支持的PWM输出的引脚有限，为了突破这个限制，wiringPi提供了软件实现的PWM输出API。需要包含头文件：#include <softPwm.h>编译时需要添pthread库链接 -lpthread

int softPwmCreate (int pin, int initialValue, int pwmRange)
功能：使用一个指定的pin引脚创建一个模拟的PWM输出引脚
参数：pin：用来作为软件PWM输出的引脚initalValue：引脚输出的初始值pwmRange：PWM值的范围上限，建议使用100.
返回：0表示成功。void softPwmWrite (int pin, int value)
功能：更新引脚输出的PWM值
参数：pin：通过softPwmCreate创建的引脚value：PWM引脚输出的值

串口通信，使用时需要包含头文件：#include <wiringSerial.h>

int serialOpen (char *device, int baud)
功能：打开并初始串口
参数：device:串口的地址，在Linux中就是设备所在的目录。默认一般是"/dev/ttyAMA0",我的是这样的。baud：波特率
返回：正常返回文件描述符，否则返回-1失败。void serialClose (int fd)
功能：关闭fd关联的串口
参数：fd：文件描述符void  serialPutchar (int fd, unsigned char c)
功能：发送一个字节的数据到串口
参数：fd:文件描述符c:要发送的数据void  serialPuts (int fd, char *s) 
功能：发送一个字符串到串口
参数：fd：文件描述符s：发送的字符串，字符串要以'\0'结尾void  serialPrintf (int fd, char *message, …)
功能：像使用C语言中的printf一样发送数据到串口
参数：fd：文件描述符message：格式化的字符串 int   serialDataAvail (int fd)
功能：获取串口缓存中可用的字节数。
参数：fd：文件描述符
返回：串口缓存中已经接收的，可读取的字节数，-1代表错误int serialGetchar (int fd)
功能：从串口读取一个字节数据返回。如果串口缓存中没有可用的数据，则会等待10秒，如果10后还有没，返回-1所以，在读取前，做好通过serialDataAvail判断下。
参数：fd：文件描述符
返回：读取到的字符void serialFlush (int fd)
功能：刷新，清空串口缓冲中的所有可用的数据。
参数：fd：文件描述符*size_t write (int fd,const void * buf,size_t count)
功能：这个是Linux下的标准IO库函数，需要包含头文件#include <unistd.h>当要发送到的数据量过大时，wiringPi建议使用这个函数。*size_t read(int fd,void * buf ,size_t count); 
功能：这个是Linux下的标准IO库函数，需要包含头文件#include <unistd.h>当要接收的数据量过大时，wiringPi建议使用这个函数。
参数：fd：文件描述符buf：接受的数据缓存的数组count:接收的字节数.
返回：实际读取的字符数。

初次使用树莓派串口编程，需要配置。

/* 修改 cmdline.txt文件 */
>cd /boot/
>sudo vim cmdline.txt
删除【】之间的部分
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
注释掉最后一行内容:，在前面加上 # 号
#T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100
sudo reboot 重启

shift移位寄存器芯片API，需要包含头文件 #include <wiringShift.h>，用过595的都知道还有一个引脚：12脚，Rpin，用于把移位寄存器中的数据更新到存储寄存器中，然后wiringPi的API中没有使用这个引脚。我建议使用的时候自己加上。

void shiftOut (uint8_t dPin, uint8_t cPin, uint8_t order, uint8_t val)
功能：将val串化，通过芯片转化为并行输出，如常见的74HC595
参数：dPin：移位芯片的串行数据入口引脚，比如74HC595的SER脚cPin：移位芯片的时钟引脚。如74HC595的11脚order：LSBFIRST 先发送数据的低位MSBFIRST先发送数据的高位
val：要发送的8位数据uint8_t shiftIn (uint8_t dPin, uint8_t cPin, uint8_t order) 
功能：将并行数据，通过芯片转化为串行输出。
参数同上。

树莓派硬件平台特有的API，并没有列全，我只是列出了相对来说有用的，其他的，都基本不会用到。pwmSetMode、pwmSetRange、pwmSetClock函数应该都是硬件PWM的函数。

pwmSetMode (int mode)
功能：设置PWM的运行模式。pwm发生器可以运行在2种模式下，通过参数指定：PWM_MODE_BAL：树莓派默认的PWM模式PWM_MODE_MS：传统的pwm模式
参数：mode：PWM运行模式pwmSetRange (unsigned int range)
功能：设置pwm发生器的数值范围，默认是1024
参数：range，范围的最大值，0~rangepwmSetClock (int divisor)
功能：这设置了PWM时钟的除数默认是32分频，也就是19.2/32 = 600KHZ，因此不调用此函数，pwm的默认工作时钟为600KHz.piBoardRev (void) 
返回：树莓派板子的版本编号，1或者2。

Wringpi库部分参考博客：https://ww.cnblogs.com/lulipro/p/5992172.html

使用指令uname -r查看树莓派的版本，下载linux内核源码的时候可以使用。

使用树莓派控制第一个外设——继电器模块：

继电器模块如下图，控制端一共有三个针脚，其中使用3.3V供电和连接GND，另一个接口IN连接树莓派的GPIO进行控制，低电平拉低继电器另一端导通，高电平继电器另一端不导通。
可以使用指令gpio readall来查看GPIO的功能图

#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);//继电器导通else if(strcmp(cmd,"close")==0)digitalWrite(1,HIGH);//继电器不导通memset(cmd,'\0',128);}return 0;
}

上面是控制继电器的代码，编译的时候要使用指令gcc switch.c -o switch -lwiringPi注意：要加上wiringPi库

树莓派外设——超声波模块：
在这里插入图片描述

超声波模块上面通常有两个超声波元器件，一个用于发射，一个用于接收。电路板上有四个引脚：VCC（正极）、Trig（触发）、Echo（接收）、GND（接地）
超声波的主要参数：工作电压与电流：5V、15mA；测距范围：2~400cm；感测角度：不大于15°；被测物的面积不要小于50平方厘米并且尽量平整；具备温度补偿电路
工作原理：在超声波的触发脚位输入10微妙以上的高电位，即可发射超声波，发射超声波以后与接收传回的超声波之前，“接收引脚”呈现高电位，因此，程序可以从“接收引脚”的高电位脉冲持续时间，换算出被测物的距离。

#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);//确保Echo引脚在计时前为低电平timeone=micros();//得到程序运行到此位置的时间while(digitalRead(Echo)==HIGH);timetwo=micros();//得到程序运行到此位置的时间distance=(float)(timetwo-timeone)/58;//timetwo-timeone为Echo高电平持续的时间，单位是us除以58即可得到距离。printf("distance is %0.2f cm\n",distance);delay(100);}return 0;
}

上面那个超声波测距的程序是我自己写的，下面这个是从网上查找的，感觉比我写的高大上。

#include <wiringPi.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#define Trig    4
#define Echo    5void ultraInit(void)
{pinMode(Echo, INPUT);  //设置端口为输入pinMode(Trig, OUTPUT);  //设置端口为输出
}float disMeasure(void)
{struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含两个一个是秒，一个是微秒/*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);      //发出超声波脉冲digitalWrite(Trig, LOW);while(digitalRead(Echo) != 1));gettimeofday(&tv1, NULL);           //获取当前时间 开始接收到返回信号的时候while(!(digitalRead(Echo) == 0));gettimeofday(&tv2, NULL);           //获取当前时间  最后接收到返回信号的时候/*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;   //微秒级的时间stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //计算时间差求出距离return dis;
}int main(void)
{float dis;if(wiringPiSetup() == -1){ //如果初始化失败，就输出错误信息 程序初始化时务必进行printf("setup wiringPi failed !");return 1;}ultraInit();while(1){dis = disMeasure();printf("distance = %0.2f cm\n",dis);delay(1000);}return 0;
}

linux时间函数如下：

#include "sys/time.h"
struct timeval  
{  
__time_t tv_sec;        /* Seconds. */  
__suseconds_t tv_usec;  /* Microseconds. */  
};

用法很简单，先定义时间结构体变量，然后使用gettimeofday(&tv_b,NULL)函数获取当前时间，然后就可以计算出来时间差。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;//以秒为单位