前言
經過上一篇文章的解說，相信大家都應該都可以掌握樹莓派的安裝和基本的使用，然而要玩轉樹莓派，單單靠幾條命令是不夠。其中，對于GPIO的操作就是極其重要的。這篇文章介紹樹莓派的GPIO，以及用python操作GPIO來實現一些輸出輸入。
GPIO基本介紹
GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態-是高電平或是低電平。GPIO是個比較重要的概念，用戶可以通過GPIO口和硬件進行數據交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態信號（如中斷信號）等。GPIO口的使用非常廣泛。掌握了GPIO，差不多相當于掌握了操作硬件的能力。
現在，我們先看看樹莓派上的GPIO是怎么樣的：
右上角的詳細圖：
我們重點看第二張詳細圖。這張圖上可以看到，每一個針腳都有Pin#和NAME字段。Pin代表的是該針腳的編號，其中01和02針腳對應第一張圖中GPIO最右邊豎排的兩個針腳。而NAME代表的是該針腳的BCM名稱，當然NAME也可以直接看得出針腳的默認功能。比如 3.3v和5v代表著該針腳會輸出3.3v和5v的電壓，Ground代表著該針腳是接地的，GPIO0*則是一些待用戶開發的針腳。每個針腳都可以使用程序進行控制操作。
控制GPIO
想用python來控制GPIO，最便捷的辦法就是使用一些python類庫，比如樹莓派系統本身集成的RPi.GPIO。本文詳細介紹如何使用RPi.GPIO來控制GPIO。
導入RPi.GPIO模塊
可以用下面的代碼導入RPi.GPIO模塊。
import RPi.GPIO as GPIO
引入之后，就可以使用GPIO模塊的函數了。如果你想檢查模塊是否引入成功，也可以這樣寫：
try:
import RPi.GPIO as GPIO
except RuntimeError:
print("引入錯誤")
針腳編號
在RPi.GPIO中，同時支持樹莓派上的兩種GPIO引腳編號。第一種編號是BOARD編號，這和樹莓派電路板上的物理引腳編號相對應。使用這種編號的好處是，你的硬件將是一直可以使用的，不用擔心樹莓派的版本問題。因此，在電路板升級后，你不需要重寫連接器或代碼。
第二種編號是BCM規則，是更底層的工作方式，它和Broadcom的片上系統中信道編號相對應。在使用一個引腳時，你需要查找信道號和物理引腳編號之間的對應規則。對于不同的樹莓派版本，編寫的腳本文件也可能是無法通用的。
你可以使用下列代碼（強制的）指定一種編號規則：
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# or
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
下面代碼將返回被設置的編號規則
mode = GPIO.getmode()
警告
如果RPi.GRIO檢測到一個引腳已經被設置成了非默認值，那么你將看到一個警告信息。你可以通過下列代碼禁用警告：
GPIO.setwarnings(False)
引腳設置
在使用一個引腳前，你需要設置這些引腳作為輸入還是輸出。配置一個引腳的代碼如下：
# 將引腳設置為輸入模式
GPIO.setup(channel, GPIO.IN)
# 將引腳設置為輸出模式
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)
# 為輸出的引腳設置默認值
GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)
釋放
一般來說，程序到達最后都需要釋放資源，這個好習慣可以避免偶然損壞樹莓派。釋放腳本中的使用的引腳：
GPIO.cleanup()
注意，GPIO.cleanup()只會釋放掉腳本中使用的GPIO引腳，并會清除設置的引腳編號規則。
輸出
要想點亮一個LED燈，或者驅動某個設備，都需要給電流和電壓他們，這個步驟也很簡單，設置引腳的輸出狀態就可以了，代碼如下：
GPIO.output(channel, state)
狀態可以設置為0 / GPIO.LOW / False / 1 / GPIO.HIGH / True。如果編碼規則為，GPIO.BOARD，那么channel就是對應引腳的數字。
如果想一次性設置多個引腳，可使用下面的代碼：
chan_list = [11,12]
GPIO.output(chan_list, GPIO.LOW)
GPIO.output(chan_list, (GPIO.HIGH, GPIO.LOW))
你還可以使用Input()函數讀取一個輸出引腳的狀態并將其作為輸出值，例如：
GPIO.output(12, not GPIO.input(12))
讀取
我們也常常需要讀取引腳的輸入狀態，獲取引腳輸入狀態如下代碼：
GPIO.input(channel)
低電平返回0 / GPIO.LOW / False，高電平返回1 / GPIO.HIGH / True。
如果輸入引腳處于懸空狀態，引腳的值將是漂動的。換句話說，讀取到的值是未知的，因為它并沒有被連接到任何的信號上，直到按下一個按鈕或開關。由于干擾的影響，輸入的值可能會反復的變化。
使用如下代碼可以解決問題：
GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
# or
GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
需要注意的是，上面的讀取代碼只是獲取當前一瞬間的引腳輸入信號。
如果需要實時監控引腳的狀態變化，可以有兩種辦法。最簡單原始的方式是每隔一段時間檢查輸入的信號值，這種方式被稱為輪詢。如果你的程序讀取的時機錯誤，則很可能會丟失輸入信號。輪詢是在循環中執行的，這種方式比較占用處理器資源。另一種響應GPIO輸入的方式是使用中斷（邊緣檢測），這里的邊緣是指信號從高到低的變換（下降沿）或從低到高的變換（上升沿）。
輪詢方式
while GPIO.input(channel) == GPIO.LOW:
time.sleep(0.01) # wait 10 ms to give CPU chance to do other things
邊緣檢測
邊緣是指信號狀態的改變，從低到高（上升沿）或從高到低（下降沿）。通常情況下，我們更關心于輸入狀態的該邊而不是輸入信號的值。這種狀態的該邊被稱為事件。
先介紹兩個函數：
- wait_for_edge() 函數。
wait_for_edge()被用于阻止程序的繼續執行，直到檢測到一個邊沿。也就是說，上文中等待按鈕按下的實例可以改寫為：
channel = GPIO.wait_for_edge(channel, GPIO_RISING, timeout=5000)
if channel is None:
print('Timeout occurred')
else:
print('Edge detected on channel', channel)
- add_event_detect() 函數
該函數對一個引腳進行監聽，一旦引腳輸入狀態發生了改變，調用event_detected()函數會返回true，如下代碼：
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING) # add rising edge detection on a channel
do_something()
// 下面的代碼放在一個線程循環執行。
if GPIO.event_detected(channel):
print('Button pressed')
上面的代碼需要自己新建一個線程去循環檢測event_detected()的值，還算是比較麻煩的。
不過可采用另一種辦法輕松檢測狀態，這種方式是直接傳入一個回調函數：
def my_callback(channel):
print('This is a edge event callback function!')
print('Edge detected on channel %s'%channel)
print('This is run in a different thread to your main program')
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING, callback=my_callback)
如果你想設置多個回調函數，可以這樣：
def my_callback_one(channel):
print('Callback one')
def my_callback_two(channel):
print('Callback two')
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING)
GPIO.add_event_callback(channel, my_callback_one)
GPIO.add_event_callback(channel, my_callback_two)
注意：回調觸發時，并不會同時執行回調函數，而是根據設置的順序調用它們。
綜合例子：點亮LED燈
好了，上面說明了一大堆函數庫的用法，那么現在就應該來個簡單的實驗了。這個實驗很簡單，點亮一個LED燈。
- 編寫代碼之前，首先你需要將led燈的針腳通過杜邦線連接到樹莓派的引腳上，比如你可以連接到11號引腳。
- 新建一個main.py文件，寫入如下代碼：
import RPi.GPIO as GPIO //引入函數庫
import time
RPi.GPIO.setmode(GPIO.BOARD) //設置引腳編號規則
RPi.GPIO.setup(11, RPi.GPIO.OUT) //將11號引腳設置成輸出模式
while True
GPIO.output(channel, 1) //將引腳的狀態設置為高電平，此時LED亮了
time.sleep(1) //程序休眠1秒鐘，讓LED亮1秒
GPIO.output(channel, 0) //將引腳狀態設置為低電平，此時LED滅了
time.sleep(1) //程序休眠1秒鐘，讓LED滅1秒
GPIO.cleanup() //程序的最后別忘記清除所有資源
- 保存，并退出文件。執行
python3 main.py，即可觀看效果。Ctrl+C可以關閉程序。 - 此外，不妨也試試其它的函數吧，增強印象。
使用PWM
這個python函數庫還支持PWM模式的輸出，我們可以利用PWM來制作呼吸燈效果。詳情看代碼：
import time
import RPi.GPIO as GPIO //引入庫
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) //設置編號方式
GPIO.setup(12, GPIO.OUT) //設置12號引腳為輸出模式
p = GPIO.PWM(12, 50) //將12號引腳初始化為PWM實例 ，頻率為50Hz
p.start(0) //開始脈寬調制，參數范圍為： (0.0 <= dc <= 100.0)
try:
while 1:
for dc in range(0, 101, 5):
p.ChangeDutyCycle(dc) //修改占空比 參數范圍為： (0.0 <= dc <= 100.0)
time.sleep(0.1)
for dc in range(100, -1, -5):
p.ChangeDutyCycle(dc)
time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
pass
p.stop() //停止輸出PWM波
GPIO.cleanup() //清除
結語
在文中，主要講解了GPIO的概念，以及如何使用python操作GPIO。如果有條件，建議大家多動動手，你會收獲不少滿足感。我也是初學者，如果你有任何問題，大家一起探討學習。
本文參考文檔：https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/
