樹莓派 RPi.GPIO 使用說明

學習樹莓派的第一個模組就是 RPi.GPIO ，什麼是 GPIO ? GPIO（General Purpose I/O Ports）意思是通用輸入/輸出埠，也就是一些針腳可以通過它們輸出高電位或者低電位，可以供使用者由程式控制自由使用，與裝置進行通訊，達到控制裝置的目的。既然一個針腳可以用於輸入、輸出或其他特殊功能，那麼一定有暫存器用來選擇這些功能。對於輸入，一定可以透過讀取某個暫存器來確定針腳電位的高低；對於輸出，一定可以透過寫入某個暫存器來讓這個針腳輸出高電位或者低電位；對於其他特殊功能，則有另外的暫存器來控制它們，所以掌握了 GPIO 就相當於掌握了硬體的控制。

圖片來源：Simple Guide to the Raspberry Pi GPIO Header.

上圖有 40 根針腳，這就是樹莓派控制外部傳感器的接口，稱之為 GPIO(General Purpose I/O Port)。這裡可以看到有二種編號規則，分別是紅框內的 BOARD 編號規則，與紅框外的 BCM 編號規則，接下來我們就來試試 RPi.GPIO 的用法吧。

前置準備

教具準備

名稱 數量 規格 備註
樹莓派 1 Raspberry Pi 4 Model B (4G) 就只是現在頂規是這個版本，用三代的也可以
麵包板 1 不限 測試時容易連結
杜邦線 1 不限 保證沒有斷芯就好
LED燈 2 不限 測試此設備能發光閃爍
電阻 2 10K 為了不讓 LED 燒掉

檢查 wiringPi 版本與升級

由於樹莓派因版本不同，其各針腳的定義也會有些許的差異，那是否能在樹莓派裡就得知呢？ 可以的，但你可能跟筆者一樣遇到 Pi 4B 版需要升級的情況，首先檢查一下版本。

$ gpio -v

回傳結果如下，是 2.50 版。

pi@raspberrypi:~ $ gpio -v
gpio version: 2.50
Copyright (c) 2012-2018 Gordon Henderson
This is free software with ABSOLUTELY NO WARRANTY.
For details type: gpio -warranty

Raspberry Pi Details:
  Type: Unknown17, Revision: 02, Memory: 0MB, Maker: Sony 
  * Device tree is enabled.
  *--> Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.2
  * This Raspberry Pi supports user-level GPIO access.

查看各針腳編號的命令如下：

$ gpio readall

回傳結果如下

pi@raspberrypi:~ $ gpio readall
Oops - unable to determine board type... model: 17

這個問題是 wiringPi 模組版本的問題，所以如果你也跟筆者一樣是 Pi 4B版且 wiringPi 版本是 2.50 版，那麼就跟著筆者按照官網指引升級即可，命令如下:

cd /tmp
wget https://project-downloads.drogon.net/wiringpi-latest.deb
sudo dpkg -i wiringpi-latest.deb

更新好後，再來檢查一次版本

$ gpio -v

這時候看到版本已更新到 2.52 了。

pi@raspberrypi:/tmp $ gpio -v
gpio version: 2.52
Copyright (c) 2012-2018 Gordon Henderson
This is free software with ABSOLUTELY NO WARRANTY.
For details type: gpio -warranty

Raspberry Pi Details:
  Type: Pi 4B, Revision: 02, Memory: 4096MB, Maker: Sony 
  * Device tree is enabled.
  *--> Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.2
  * This Raspberry Pi supports user-level GPIO access.

看看 Pi 4B 版的各腳位對應吧。

$ gpio readall

這時回傳的結果已可以看到 Pi 4B 版的各腳位編號了

pi@raspberrypi:/tmp $ gpio readall
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 4B--+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 |     |     |    3.3v |      |   |  1 || 2  |   |      | 5v      |     |     |
 |   2 |   8 |   SDA.1 | ALT0 | 1 |  3 || 4  |   |      | 5v      |     |     |
 |   3 |   9 |   SCL.1 | ALT0 | 1 |  5 || 6  |   |      | 0v      |     |     |
 |   4 |   7 | GPIO. 7 |   IN | 1 |  7 || 8  | 1 | ALT5 | TxD     | 15  | 14  |
 |     |     |      0v |      |   |  9 || 10 | 1 | ALT5 | RxD     | 16  | 15  |
 |  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
 |  27 |   2 | GPIO. 2 |   IN | 0 | 13 || 14 |   |      | 0v      |     |     |
 |  22 |   3 | GPIO. 3 |   IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN   | GPIO. 4 | 4   | 23  |
 |     |     |    3.3v |      |   | 17 || 18 | 0 | IN   | GPIO. 5 | 5   | 24  |
 |  10 |  12 |    MOSI | ALT0 | 0 | 19 || 20 |   |      | 0v      |     |     |
 |   9 |  13 |    MISO | ALT0 | 0 | 21 || 22 | 0 | IN   | GPIO. 6 | 6   | 25  |
 |  11 |  14 |    SCLK | ALT0 | 0 | 23 || 24 | 1 | OUT  | CE0     | 10  | 8   |
 |     |     |      0v |      |   | 25 || 26 | 1 | OUT  | CE1     | 11  | 7   |
 |   0 |  30 |   SDA.0 |   IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN   | SCL.0   | 31  | 1   |
 |   5 |  21 | GPIO.21 |   IN | 1 | 29 || 30 |   |      | 0v      |     |     |
 |   6 |  22 | GPIO.22 |   IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN   | GPIO.26 | 26  | 12  |
 |  13 |  23 | GPIO.23 |   IN | 0 | 33 || 34 |   |      | 0v      |     |     |
 |  19 |  24 | GPIO.24 |   IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN   | GPIO.27 | 27  | 16  |
 |  26 |  25 | GPIO.25 |   IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN   | GPIO.28 | 28  | 20  |
 |     |     |      0v |      |   | 39 || 40 | 0 | IN   | GPIO.29 | 29  | 21  |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 4B--+---+------+---------+-----+-----+

安裝 RPi.GPIO

不管用什麼方式，請在樹莓派的 Python 虛擬環境安裝 RPi.GPIO 模組，上述前置準備可以學習到怎麼連到此環境，安裝命令可以參考官方 RPI.GPIO 連結，命令如下 ：

(dsalearning) $ pip install RPi.GPIO

安裝結果如下

(dsalearning) pi@raspberrypi:~/Documents/envs/dsalearning $ pip install RPi.GPIO
Looking in indexes: https://pypi.org/simple, https://www.piwheels.org/simple
Collecting RPi.GPIO
  Using cached https://www.piwheels.org/simple/rpi-gpio/RPi.GPIO-0.7.0-cp37-cp37m-linux_armv7l.whl (69 kB)
Installing collected packages: RPi.GPIO
Successfully installed RPi.GPIO-0.7.0

看到 Successfully installed 就來檢查一下虛擬環境已匯入的模組是否有 RPi.GPIO

(dsalearning) $ pip list

檢查結果

(dsalearning) pi@raspberrypi:~/Documents/envs/dsalearning $ pip list
Package    Version
---------- -------
pip        20.0.2 
RPi.GPIO   0.7.0  
setuptools 46.1.3 
wheel      0.34.2

嗯，確定是已安裝進來了，可以放心的使用嘍~

RPi.GPIO方法與屬性

匯入模組

一起來了解 RPi.GPIO1 這個模組的各個方法。匯入模組的指令如下：

import RPi.GPIO as GPIO

BOARD與BCM編號規則屬性

如上文針腳圖有紅框內的 BOARD 編號；與紅框外的 BCM 編號規則，此編號規則會因樹莓派版本而有些不同，所以使用時請務必留意。

打印出 BCM 編號規則屬性值

print(GPIO.BCM)

BCM 回傳結果如下

11

打印出 BOARD 編號規則屬性值

print(GPIO.BOARD)

BOARD 回傳結果如下

10

setmode()

上述知道編號規則屬性值各是多少了，但記數值不直覺，所以還是用屬性名稱吧！

設定 BCM 編號規則的程式如下

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

設定 BOARD 編號規則的程式如下

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

getmode()

這個是取得被設置的編號規則屬性值

mode = GPIO.getmode()

回傳的值如下 ：

  • 未設定： None
  • BCM： 11
  • BOARD： 10

範例

查看未設定編號規則時是取得 None ，再設定指定的編號規則後，取得設定的屬性值。

import RPi.GPIO as GPIO

print(GPIO.getmode())
print(GPIO.BCM)
print(GPIO.BOARD)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
mode = GPIO.getmode()
print(mode)

回傳結果

None
11
10
11

setup()

在你要使用的針腳時，必須先設定這個針腳是作為輸出還是輸入。

語法

GPIO.setup({channel | chan_list}, {GPIO.OUT | GPIO.IN}, [initial= {GPIO.HIGH | GPIO.LOW}])

引數

channel 是指針腳的編號，依據設定的針腳編號規則的編號，例如

channel = 25 #BCM編號規則

chan_list 也可以一次設定多個針腳，例如

chan_list = [11,12]

GPIO.OUT 將指定的針腳作為輸出，如果想讓 LED 燈亮或驅動某個設備，就需要給它們電流和電壓，只要將針腳設定為輸出即可，範例如下

GPIO.setup(25, GPIO.OUT)

若去 print() 該屬性則會得到值為 0 ，相當於是 boolean 值的 False，所以也可以用 False 填入，但為了讓程式的可讀性好，請還是使用屬性名稱的方式。

print(GPIO.OUT)
print(type(GPIO.OUT))

回傳結果如下

0
<class 'int'>

GPIO.IN 想要獲取針腳的狀態就將針腳設定為輸入，筆者認為這些傳感器輸出訊號，在樹莓派要接收就設為輸入。設定都跟上面的 GPIO.OUT 語法一樣。

initial 為針腳設定預設值，例如下方範例為設定輸出的針腳同時給予高電位。

GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)

相當於下面語法

GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)
GPIO.output(channel,GPIO.HIGH)

output()

前面的範例已使用到 output() ，意思就是設定針對輸出的狀態是高電位還是低電位，這樣就可以讓 LED 燈亮或熄滅，或者驅動或停止驅動裝置。

GPIO.output(channel,GPIO.HIGH)

input()

當針腳已被設定高低電位時，可以用此函式取得該針腳的當下狀態為何，這樣就可以進一步有邏輯去判斷了。

if GPIO.input(channel):
    print('HIGH')
else:
    print('LOW')

cleanup()

好的程序猿就要懂得釋放資源，這樣才不會成為技術債或損壞樹莓派，釋放的命令如下：

GPIO.cleanup()

注意！ GPIO.cleanup()只會清理執行腳本裡使用過的 GPIO 腳位，也會清除正在使用的編號規則。

setwarnings()

當檢測到某個針腳己經被設置為非預設值時，你會得到一個警告。如果要停用這個警告，就使用這個函式即可停止。

GPIO.setwarnings(False)

例如筆者的第一個範例 LED閃爍，第一次執行時並沒有警告出現，當再按一次執行時，就會出現如下的警告：

blink.py:7: RuntimeWarning: This channel is already in use, continuing anyway.  Use GPIO.setwarnings(False) to disable warnings.
  GPIO.setup(25,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)

wait_for_edge()

待寫

event_detected()

待寫

範例

A. 使用 chan_list

設定針腳 24,25 (BCM編號) 為輸出，同時設定這二個針腳為輸出，本範例是將 2 個 LED 一開始都亮 3 秒後輪流亮 1 秒。

#實作 ： 2個LED都亮3秒後輪流亮1秒
import RPi.GPIO as GPIO
import time

chan_list = [24,25]
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(chan_list,GPIO.OUT)
GPIO.output(chan_list, GPIO.HIGH) #全部燈亮
time.sleep(3)
while True:
    GPIO.output(chan_list, (GPIO.HIGH, GPIO.LOW)) #24 亮; 25 暗
    time.sleep(1))
    GPIO.output(chan_list, (GPIO.LOW, GPIO.HIGH)) #24 暗; 25 亮
    time.sleep(1)

參考文章

  1. A Python module to control the GPIO on a Raspberry Pi ↩

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