使用树莓派 3B+ 测试 gpio，配置硬件串口，测试串口通信

1、GPIO扩展口定义、DB9接口定义

这里的板子上40pin引脚有3中编码方式：
1、Board编码：对应实际的物理插槽
2、BCM编码：基本和GPIO的名字对应
2、wiringPi编码：wiringPi库使用的引脚编码方式

DB9公头接口定义

在进行串口通信，两个设备间进行双向通信时，两个设备的RXD、TXD要交错连接。

2、串口设置

树莓派包含两个串口
1.硬件串口（/dev/ttyAMA0）,硬件串口由硬件实现，有单独的波特率时钟源，性能高，可靠。一般优先选择这个使用。
2.mini串口（/dev/ttyS0），mini串口时钟源是由CPU内核时钟提供，波特率受到内核时钟的影响，不稳定。

想要通过树莓派的GPIO引脚进行稳定的串口通信，需要修改串口的映射关系。
serial0是GPIO引脚对应的串口，serial1是蓝牙对应的串口。使用ls -l /dev/serial*查看当前的映射关系：

可以看到这里是，蓝牙串口serial1使用硬件串口ttyAMA0。

2.1 开启GPIO串口功能，并使用硬件串口

使用sudo raspi-config 进入图形界面
选择菜单 Interfacing Options -> P6 Serial,
第一个选项（would you like a login shell to be accessible over serial?）选择NO，
第二个选项（would you like the serial port hardware to be enabled?）选择 YES

保存后重启，查看映射关系

比之前多了一个gpio的串口serial0，并且使用的ttyS0。这里已经是开启了GPIO串口功能，但是使用的cpu实现的软件串口。

如果想使用稳定可靠的硬件串口，就要将树莓派3b+的硬件串口与mini串口默认映射对换（先禁用蓝牙 sudo systemctl disable hciuart）。
在/boot/config.txt文件末尾添加一行代码 dtoverlay=pi3-miniuart-bt
保存后重启再查看设备对用关系，发现已经调换成功。

2.2 禁用串口的控制台功能

前面步骤已经交换了硬件串口与mini串口的映射关系，但是，现在还不能使用树莓派串口模块与电脑进行通信，因为，树莓派gpio口引出串口默认是用来做控制台使用的，即是为了用串口控制树莓派，而不是通信。所以我们要禁用此默认设置。
首先执行命令如下：
sudo systemctl stop [email protected]
sudo systemctl disable [email protected]
然后执行命令行修改文件：
sudo nano /boot/cmdline.txt
并删除语句console=serial0,115200（没有的话就不需要此步骤）

2.3 测试验证串口通信功能

这里使用三种方式进行测试验证， c语言下使用wiringPi库， python语言下使用serial包，最后命令行使用minicom工具。
先安装以上开发工具
sudo apt-get install wiringpi
sudo apt-get install python-serial
sudo apt-get install minicom

将usb转ttl模块引脚的GND、TX、RX分别与树莓派的GND、RX、TX连接；电脑端启用串口调试助手，波特率设置一致。

2.3.1 c语言实现

编写test.c测试代码，

#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>
#include <wiringSerial.h>
  
int main()
{
    int fd;
    if(wiringPiSetup()<0) {
        return 1;
    }

    //if((fd=serialOpen("/dev/ttyS0",115200))<0) { // gpio 使用mini串口
    if((fd=serialOpen("/dev/ttyAMA0",115200))<0) { // gpio 使用硬件串口
        return 1;
    }
 
    printf("serial test output ...\n");
    serialPrintf(fd,"1234567890abcdef");
 
    serialClose(fd);
    return 0;
}

编译 gcc test.c -o test -lwiringPi，运行 sudo ./test

2.3.2 python实现

# -*- coding: utf-8 -*
import serial
import time

ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0",115200)

if not ser.isOpen():
    print("open failed")
else:
    print("open success: ")
    print(ser)

try:
    while True:
        count = ser.inWaiting()
        if count > 0:
            recv = ser.read(count)
            print("recv: " + recv)
        	ser.write(recv)
        sleep(0.05) 
except KeyboardInterrupt:
    if ser != None:
        ser.close()

运行python代码，并在串口调试助手中发送字符串，树莓派收到数据后打印、在回发给串口助手，截图如下。

2.3.3 minicom命令函实现

使用minicom -b 115200 -D /dev/ttyAMA0进入串口调试界面，这里将一直等待接收，直到用户手动退出。退出时ctrl+A，再按键X退出。
minicom调试界面默认是不显示用户输入，使用cttl+A，再按E即可开启（会捕获换行）。

串口助手和minicom界面的交互如下:
串口助手发送“1234567890abcdef”，
minicom发送"\n”，“1”，"\n"，“3”，“4”，"\n"
串口助手发送“1234567890abcdef”，

界面截图如下：

2.4 wiringPi库c语言完整串口通信代码

使用wiringPI库进行发送和持续接收的示例代码，如下

#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>
#include <wiringSerial.h>

#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int running = 1;

void sig_handle(int sig)
{
   if(sig == SIGINT)   running = 0;
}

int main()
{    
    signal(SIGINT, sig_handle);    

    int fd;
    if(wiringPiSetup() < 0){
        printf("wiringPi setup failed.\n");
        return 1;
    }

    int baudrate = 115200;

    //if((fd = serialOpen("/dev/ttyS0", baudrate)) < 0){  
    if((fd = serialOpen("/dev/ttyAMA0",baudrate)) < 0){
        printf("serial open failed.\n");
        return 1;
    }

    printf("serial test output ...\n"); 
    serialPrintf(fd, "0123456789abcdef");  //发送

    while(running)
    {
       int sz = serialDataAvail(fd); // 等待介绍的数据个数
       
       if(sz > 0)
       {
         printf("size %d, ", sz);
         char *buff =(char*)malloc(sz);
         printf("recv: ");
         for(int i = 0; i < sz; i++){
              int c = serialGetchar(fd);  //接收一个字符
              //if(c != -1)
                  buff[i] = c;  
         }
         printf("%s\n", buff);
         free(buff);

         serialPrintf(fd, buff);//回显
       }
       else{
         usleep(50000); // 必要的延时50ms
       }
    }

    serialClose(fd);
    printf("close serial.\n");

    return 0;
}

tip:延时的作用：1、匹配串口读写速度，使得下一次读时，设备已经完成写操作; 2、减小资源占用;
若不延时，CPU占用高，并且最多一次读取一个字符。

3、GPIO 编程

这里演示BCM_gpio 22输出控制，串接一个220欧姆、led灯珠到GND，进行亮、灭灯控制。

这里涉及引脚连线、编程中确定口线，需要熟悉引脚编码。先以gpio命令行工具说明编码、并进行测试，再使用python、c语言实现。

3.1 gpio命令行

使用gpio -v查看版本

使用gpio readall查看引脚编码

这里我们选择的名称为"BCM_GPIO.22"，对应的是BCM编码"22"，wPi编码"3"，而实际的物理插槽BOARD编码是"15"。 因此实际接线应该使用插槽编码为15的口线。

gpio工具使用的是BCM编码。设置BCM_GPIO.22口为输出模式，写”1”灯亮，写”0”灯灭。

gpio -g mode 22 out
gpio -g write 22 1
gpio -g write 22 0

3.2 Python 库 RPi.GPIO编程

这里的操作结果同上，使用RPi.GPIO库。若无该库，先进行安装 sudo pip install RPi.GPIO
先使用python idle进行简单控制

import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)   ## 编号默认BCM
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)
GPIO.output(22, GPIO.HIGH)
GPIO.output(22, LOW)
GPIO.output(22, 1)
GPIO.output(22, 0)

在利用脚本让其间隔一秒钟亮灭

# -*- coding: utf-8 -*-                 
import RPi.GPIO as GPIO               #引入RPi.GPIO库函数命名为GPIO
import time                           #引入计时time函数
# BOARD编号方式，基于插座引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)              #将GPIO编程方式设置为BOARD模式
# 输出模式
GPIO.setup(15, GPIO.OUT)              #将Board 15引脚（BCM 22）设置为输出引脚

while True:                            #条件为真，下面程序一直循环执行
    GPIO.output(15, GPIO.HIGH)         #将15引脚电压置高，点亮LED灯
    time.sleep(1)                      #延时1秒
    GPIO.output(15, GPIO.LOW)          #将15引脚电压置低，熄灭LED灯
    time.sleep(1)                      #延时1秒

3.3 c/c++使用wiringPI库

重复上面引用内容： 这里我们选择的名称为"BCM_GPIO.22"，对应的是BCM编码"22"，wPi编码"3"，而实际的物理插槽BOARD编码是"15"。

使用wiringPI库时，IO口为wPi编码，为保证和前面的实列对应相同，使用编号为3。

编写以下test.c代码
编译 gcc test.c -o test -lwiringPi，运行 ./test

#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>

// LED Pin - wiringPi pin 3 is BCM_GPIO 22.(pyscial 15)
#define  LED  3

int main (void)
{
  if(wiringPiSetup() < 0){
      printf("wiringPi setup failed.\n");
      return 1;
  }

  pinMode(LED, OUTPUT);  // 设置输出模式

  for (;;)
  {
    digitalWrite(LED, HIGH) ;	// On
    delay(500) ;		        // mS
    digitalWrite(LED, LOW) ;	// Off
    delay(500) ;
  }
  return 0 ;
}

王高_1990

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