樹莓派硬件編程——（一）用RPi.GPIO庫輸出信號

一、認識RPi.GPIO庫

樹莓派硬件編程不僅可以用Python進行開發，也可以用C++進行開發，那麼想要對硬件進行控制，就需要了解樹莓派的電路設計和芯片的控制規則，只有知道了這些，我們才能驅動我們的樹莓派。那麼RPi.GPIO庫就是Python對樹莓派的控制庫，它提供了很多函數可以讓我們獲取引腳信息、與外部設備進行數據交互等等，所以RPi.GPIO是我們硬件編程非常重要的工具。

二、如何下載安裝RPi.GPIO庫

一般來講，樹莓派官方鏡像已經默認安裝了RPi.GPIO庫的，我們可以用 pip3 list 來查看一下已安裝庫列表

如果沒有安裝的話，那麼我們可以通過 pip3 install rpi.gpio 來對其進行安裝，或者 apt-get install python3-rpi.gpio 進行安裝；

這邊友情提醒，不要好好的去卸載RPi.GPIO庫，這是血淚教訓，因爲我想試驗命令安裝，然後把庫給卸載了，命令應該沒有錯，但是可能現實其他依賴會有問題，所以，沒事別瞎試；

三、引腳編號

我們通過上圖可以看見，我們可以通過三種編碼模式對樹莓派引腳進行控制，那麼這三種編碼分別是什麼意思呢？

1. wiringPi編碼：這是在C++進行開發時所使用的編碼，這邊不做重點講解；
2. BCM編碼：任何一個開發板想要進行控制，肯定會有一個主控芯片，那麼這個芯片就會有很多引腳，不同的引腳就有不同的功能，我們這裏引出的是40Pin，但是一般來講這個芯片是多於40個的，多出的引腳就要負責其他零部件的控制等等；那麼，BCM編碼我們可以理解成是主控芯片的引腳編號，直接通過主控芯片來進行控制當然是沒有問題的。但是這裏就有一個問題，樹莓派每個版本不一樣，或者升級之後，不能夠保證主控芯片不變，所以當樹莓派進行升級之後，以前的程序可能就不能用了，所以我們一般不用BCM編碼；
3. BOARD編碼：這個就很好理解了，我們拿着樹莓派，從上到下這麼數過去，就是BOARD編碼，我們也叫它物理引腳；
   那麼BOARD編碼和BCM編碼有什麼聯繫呢？這麼來說吧，物理引腳和主控芯片的功能引腳一一對應，也就是說它始終和功能對應，所以當芯片升級或者其他原因，我們之前所寫的代碼都是可用的，這樣就可以保證極好的兼容性。
   那麼物理引腳是連到哪的呢？整個板子是由主控芯片控制的呀，物理引腳肯定也是和芯片引腳相連呀。

總結：我們一般使用python進行硬件開發的時候，最好使用BOARD編碼，這樣可以保證其兼容性。

四、使用RPi.GPIO庫控制LED燈閃爍

1. 導入RPi.GPIO庫

   import RPi.GPIO as GPIO

2. 指定編碼模式

   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   # GPIO.setmode(GPIO.BCM)

3. 設置引腳功能

   GPIO.setup(引腳編碼，引腳功能,initial=GPIO.HIGH)

   引腳編號：這個就是根據不同的編碼模式，配置其引腳編號

   pin_list = [15,16]
   GPIO.setup(pin_list,GPIO.OUT)    # 我們可以通過列表的方式，批量對引腳模式進行設置

   引腳功能：我們可以將引腳配置成輸出（GPIO.OUT）模式，輸入後面再講
   initial=GPIO.HIGH：這個表示其引腳的初始狀態爲高電平狀態，我們可以通過這麼參數設置引腳的初始狀態，且參數只有在輸出模式纔有

4. 輸出高電平

   GPIO.output(引腳編號，狀態)

   引腳編號： 同上
   狀態：這裏其實就是一個邏輯值，我們可以用True/False或者用1/0或者用GPIO.HIGH/GPIO.LOW

5. 清理引腳

   GPIO.cleanup()

   這裏爲什麼需要清理引腳呢？這是因爲我們在結束程序的時候，我們要將所有的引腳恢復成初始的狀態，一般來講爲輸入模式，這是要避免短路造成設備的損壞。

OK，下面我們就舉個LED燈閃爍的栗子：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16,GPIO.OUT)

try:
    while True:
        GPIO.output(16,GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)
        GPIO.output(16,GPIO.LOW)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:    # 異常處理，如果Ctrl+C退出程序
    GPIO.output(16,GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

五、使用RPi.GPIOk庫實現呼吸燈效果

對於什麼是呼吸燈，呼吸燈是怎麼實現的，我的另一篇文章（炫酷LED呼吸燈）應該講的比較清楚了，這裏就不做贅述；

那麼這邊我們使用的還是PWM脈寬調製來實現LED燈的呼吸燈效果，PWM的實質就是控制高低電平的時間比，單位時間內，高電平比例越高，那麼LED燈工作的時間就越長，也就越亮。PWM不僅可以控制LED燈的亮暗，直流電機的轉速、舵機的角度、無源蜂鳴器的頻率等等都可以控制，一句話總結：脈寬調製就是用數字信號來實現模擬信號輸出的一種技術。

1. 庫導入、引腳編碼、引腳功能設置等是常規操作

   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   
   GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
   GPIO.setup(16,GPIO.OUT)

2. 劃重點，創建一個PWM對象

   p = GPIO.PWM(16,50)    # 創建一個PWM對象
   p.start(0)             # 啓動PWM，初始值爲0

   GPIO.PWM(引腳編號，頻率)： 這裏的頻率是指單位時間內變化的次數，即頻率越高，亮暗過渡就越平滑
   
   上面從左到右，頻率分別是：10、20、50，大家可以對比他們的效果，區別還是比較明顯的；

3. 實現效果

   try:
   while 1:
       for i in range(0,100,5):
           p.ChangeDutyCycle(i)
           time.sleep(0.05)
       for i in range(100,0,-5):
           p.ChangeDutyCycle(i)
           time.sleep(0.05)
   except KeyboardInterrupt:
       p.ChangeDutyCycle(0)
       GPIO.cleanup()

   我們可以用 ChangeDutyCycle([0,100]) 來控制PWM的佔空比，其實這裏我們可以理解成百分比，給他多少能量，他就可以發出多大的亮光；