1. 控制GPIO

重要

系统控制板卡外设接口需要root权限，可以更改设备文件权限或者使用root用户下安装python模块然后测试。

在鲁班猫板卡上开发纯软件类型的Python应用程序与PC上并无区别， 接下来的章节着重讲解如何使用Python控制板卡上的GPIO、PWM、ADC、I2C及SPI等纯PC编程中很少用到的外围接口。

控制这些外围接口时，可以Python包：

• python3-libgpiod ：标准GPIO libgpiod库的python版本，只支持控制IO输入输出。

• python-periphery 支持GPIO、PWM、I2C、SPI、UART等多种接口的基础控制。

• Adafruit Blinka：支持GPIO、PWM、I2C、SPI、UART等，还带有一些常用传感器、OLED屏的应用示例。

接下来我们将简单介绍下这些包的使用。

1.1. libgpiod基本概念

GPIO主要用来对外输出高低电平，控制GPIO时，基本都会涉及到 libgpiod 的控制， 我们主要需要知道板卡引脚的命名方式即可。

CPU的GPIO引脚使用 (chip, line) 的方式命名，使用以下命令可以查看：

# 在板卡上执行以下命令
sudo gpioinfo

# 若提示找不到命令，使用如下方式安装
sudo apt -y install gpiod libgpiod-dev

# 以下为gpioinfo的输出
gpiochip0 - 32 lines:
    line   0:      unnamed       unused   input  active-high
    line   1:      unnamed       unused   input  active-high
    line   2:      unnamed       unused   input  active-high
    line   3:      unnamed       unused   input  active-high
    line   4:      unnamed       unused   input  active-high
    line   5:      unnamed "headset_gpio" input active-high [used]
# ...

    line  31:      unnamed       unused   input  active-high
gpiochip1 - 32 lines:
        line   0:      unnamed       unused   input  active-high
        line   1:      unnamed       unused   input  active-high
# ...
        line  31:      unnamed       unused   input  active-high

而板卡引出的排针接口与GPIO (chip, line)的对应方式可查看板卡具体的说明。

关于libgpiod更详细的说明请参考右侧说明： 《使用libgpiod控制IO》

1.2. 实验准备

在板卡上的部分GPIO可能会被用做其他功能，可注释掉某些设备树节点或者设备树插件的加载，重启系统，释放相应的GPIO引脚， 当然也可以换个引脚测试，LubanCat_RK系列板卡的引脚参考下： 《LubanCat-RK系列-40pin引脚对照图》

大部分操作硬件外设的功能，一般都需要root用户权限，简单的解决方案是临时修改下设备文件的权限或者使用root用户权限运行程序。

1.3. 方式一：使用python3-libgpiod

1.3.1. 安装 python3-libgpiod

利用 python3-libgpiod 软件包，可以轻松使用Python控制GPIO引脚。 目前 python3-libgpiod 没有官方文档说明，可使用import该软件包后使用help查看帮助， 它的安装及查看帮助方式如下：

# 在板卡使用如下命令安装
sudo apt -y install python3-libgpiod

# 进入python交换模式，测试及查看帮助
python3
import gpiod
help(gpiod)

# 以下为输出的帮助说明
NAME
    gpiod - Python bindings for libgpiod.

DESCRIPTION
    This module wraps the native C API of libgpiod in a set of python classes.
# ...

1.3.2. libgpiod输出

使用这个 python3-libgpiod 包控制GPIO点灯（输出）的示例代码如下：

配套代码 io/gpio/libgpiod_io0.py文件内容

import time
import gpiod

# 根据具体板卡的LED灯连接修改使用的Chip和Line,没有LED可以自行外接
LINE_OFFSET = 8

chip0 = gpiod.Chip("0", gpiod.Chip.OPEN_BY_NUMBER)

gpio0_b0 = chip0.get_line(LINE_OFFSET)
gpio0_b0.request(consumer="gpio", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT, default_vals=[0])

print(gpio0_b0.consumer())

try:
    while True:
        gpio0_b0.set_value(1)
        time.sleep(0.5)
        gpio0_b0.set_value(0)
        time.sleep(0.5)
finally:
    gpio0_b0.set_value(1)
    gpio0_b0.release()

代码说明：

• 第7行，创建了一个chip ID为0的gpiod.Chip对象chip0

• 第9行，设置使用chip0对象的line8作为引脚

• 第10行，申请gpio，设置为输出，默认输出低电平

后面的代码直接使用gpio0_b0对象控制选定的GPIO输出高低电平，从而达到控制LED灯的亮灭。

本示例以及后面的内容都是以LubanCat 2板卡作为实验对象， 所以代码中的(chip,line)=(0，8)是根据该板卡的引脚定义选择的，若使用其它板卡只要修改相应的编号即可。

1.3.2.1. 实验操作

示例代码使用LubanCat 2板卡，源码可以参考配套例程，操作如下：

# 确认已安装python3-libgpiod包
# 在板卡blink.py所在的目录执行如下命令，需要root权限
python3 blink.py

# 如果这个引脚外接了LED，那么灯就会闪烁

使用另外一个终端，用gpioinfo命令，可以看到gpio（0，8）引脚已经被申请使用：

1.3.3. libgpiod输入输出

类似地，使用这个 python3-libgpiod 包检测GPIO输入（按键）的示例代码如下：

配套代码 io/gpio/libgpiod_io1.py

import gpiod

# 根据具体板卡的LED灯和按键连接修改使用的Chip和Line

# 这里以LubanCat 2为例，使用GPIO0_B0接LED，GPIO0_C2接按键
LED_LINE_OFFSET = 8
BUTTON_LINE_OFFSET = 18

chip0_led = gpiod.Chip("0", gpiod.Chip.OPEN_BY_NUMBER)
chip0_button = gpiod.Chip("0", gpiod.Chip.OPEN_BY_NUMBER)

led = chip0_led.get_line(LED_LINE_OFFSET)
led.request(consumer="LED", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT, default_vals=[0])

button = chip0_button.get_line(BUTTON_LINE_OFFSET)
button.request(consumer="BUTTON", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_IN)

print(led.consumer())
print(button.consumer())

try:
    while True:
        led.set_value(button.get_value())
finally:
    led.set_value(1)
    led.release()
    button.release()

代码说明：

• 第12行，设置LED的GPIO控制方向为输出

• 第15行，设置按键的GPIO控制方向为输入

• 第23行，读取按键引脚的输入值来控制LED

1.4. 方式二：使用python-periphery

1.4.1. 安装python-periphery

python-periphery 与 python3-libgpiod 的功能类似，但periphery除了支持GPIO输入输出控制外， 还支持I2C、SPI等总线协议。

python-periphery 的安装方式如下：

# 在板卡使用如下命令安装
pip3 install python-periphery

1.4.2. periphery输入输出

使用这个 python-periphery 进行输入输出的示例代码如下：

配套代码 io/gpio/periphery_io.py文件内容

from periphery import GPIO

# 根据具体板卡的LED灯和按键连接修改使用的Chip和Line
# 这里以LubanCat 2为例，使用GPIO0_B0接LED，GPIO0_C2接按键
LED_CHIP = "/dev/gpiochip0"
LED_LINE_OFFSET = 8

BUTTON_CHIP = "/dev/gpiochip0"
BUTTON_LINE_OFFSET = 18

led = GPIO(LED_CHIP, LED_LINE_OFFSET, "out")
button = GPIO(BUTTON_CHIP, BUTTON_LINE_OFFSET, "in")

try:
    while True:
        led.write(button.read())
finally:
    led.write(True)
    led.close()
    button.close()

代码说明：

• 第5~9行，定义了LED、按键的chip和line编号

• 第11~12行，分别创建了led和button的GPIO输出、输入对象

• 第16行，读取按键引脚的输入值来控制LED

使用另外一个终端，用gpioinfo命令，可以看到两个引脚已经被申请使用：

1.5. 方式三：使用Adafruit Blinka

1.5.1. 安装Adafruit Blinka

Adafruit Blinka 与 python-periphery 功能类似，除支持GPIO输入输出控制外， 都支持I2C、SPI等总线协议，但Adafruit基于blinka还提供了更丰富的应用demo，如控制屏幕等。

Adafruit Blinka 的安装方式如下：

# 在板卡使用如下命令安装
sudo apt -y install python3-libgpiod # 注：如在方法一中已安装，忽略此步
pip3 install Adafruit-Blinka

1.5.2. Adafruit Blinka板卡支持测试

鲁班猫RK系列板卡已经适配了Adafruit-Blinka，但是部分板卡引脚功能不支持， 如果想知道自己的板上是否支持一些功能的时候，可以查询板上资源定义，参考如下：

查询前确保安装了Adafruit-Blinka库（烧录的系统默认已经安装）。

1. 输入 python3 进入python3终端。

2. 输出 from adafruit_platformdetect import Detector 添加adafruit_platformdetect包；

3. 输入 detector = Detector() 接着输入 print("Chip id: ", detector.chip.id) 和 print("Board id: ", detector.board.id) 检测板子和芯片id；

4. 在python3终端中，输入 import board 导入board软件包。

5. 输入 board. 并双击Tab键，出现补全信息，补全信息中含有板卡定义的资源内容。

提示

如果测试Adafruit Blinka过程中出现 PermissionError: [Errno 13] Permission denied , 请使用命令 sudo chmod a+rw /dev/gpiochip* 临时更改下权限，然后重新测试。

lubancat-zero:

LubanCat-1：

LubanCat-2：

LubanCat-4：

LubanCat-5：

注意此处查询到的资源仅是我们为适配Adafruit-Blinka库添加的资源， 具体资源能否使用，还是根据板卡情况决定，大家也可以自行尝试。

提示

添加的板卡资源是引出的40pin，设置的规则是第几个引脚对应第几个GPIO， 例如GPIO3对应40pin的第三个物理引脚，如果物理引脚是接地或者电源是没有的，比如没有GPIO1。

1.5.3. Adafruit-Blinka控制IO

使用这个 Adafruit Blinka 进行输入输出的示例代码如下(这里以LubanCat 1为例，其他系列需要自行修改下引脚等)：

配套代码 io/gpio/digital_io.py文件内容

import board
import digitalio
import time

# 根据具体板卡修改使用的GPIO
# 以LubanCat 1 board为例, board.GPIO11就是引出的40Ppin的第11个物理引脚，board.GPIO11 = GPIO3_A5 = Pin 101
led = digitalio.DigitalInOut(board.GPIO11)
led.direction = digitalio.Direction.OUTPUT

try:
    while True:
        led.value=1
        time.sleep(0.5)
        led.value=0
        time.sleep(0.5)

finally:
    led.value = True
    led.deinit()

代码说明：

• 第1~2行，board及digitalio都是Blinka包提供的库

• 第6~7行，定义使用的引脚board.GPIO11，并设置为输出方向

• 第9-14行，使引脚输出高低电平

代码中的board.GPIO11引脚是在Blinka库定义好的LubanCat 1引脚,使用命令：

python3 digital_io.py

如果对应引脚外接一个LED灯，就可以看到LED闪烁。

当我们申请对应的板卡资源的时候，它会检测板卡型号，然后根据板卡信息加载相应的资源定义， 所以我们可以直接使用定义好的资源名，使用起来相对 python-periphery 会更直观。

更详细的引脚定义可直接查看 Adafruit Blinka的源码 ：

• Adafruit Blinka中LubanCat系列板卡引脚定义

• Adafruit Blinka中LubanCat RK系列芯片引脚定义

用户也可以自行拉取Adafruit Blinka库然后修改自定义的引脚，独自安装使用。

1.6. 参考资料

事实上，还有更多的Python库支持控制外围硬件，感兴趣可到 github 或 pypi 查找。

• 《CircuitPython》

• python-periphery源码

• Adafruit Blinka源码