[嵌入式]微雪树莓派PICO笔记——2.外设GPIO（实现LED点亮）

GPIO外设的概念

外设（外部设备）
在早期UART和LCD控制器与cpu不在同一芯片上，所以被称作外部设备

随着半导体技术的发展，各种外设被集成到一片芯片上，仍称外设

• 芯片外部的外设称为片外外设
• 芯片内部但在内核之外的外设称为片内外设

什么是GPIO

外设GPIO

全称：通用型输入输出端口 （General-purpose inpou/output）

简单来说，就是MCU可以直接控制的引脚
MCU经常通过GPIO引脚与外部器件连接实现控制，读取或者通讯
因此GPIO可以说是大多数MCU的最重要的功能，也是外部连接的主要途径

我们看下下面RP2040的系统概述图

可以看到内核可以通过SIO（Software control of GPIO）
直接控制GPIO
但是SPI等外设需要通过GPIO才能实现对应的功能

点灯程序就是控制通过GPIO输出的高/低电平进行点亮或者熄灭发光二极管

GPIO内部结构

输出部分

• 输出速度 决定了GPIO最快的反转速度
• 输出使能 决定了是否输出
• 输出数据 决定了输出电平
• 输出能力 决定GPIO的驱动能力

输入部分

• 输入使能 决定是否能够输入
• 输入数据 输入GPIO的电平
• 输入迟滞 是否使用施密特触发器

注意：
现阶段的MicroPython 无法控制输出速度，输出能力，输入迟滞

由上述结构可以将GPIO分为4类

• 开漏输入
• 悬空输入
• 上拉输入
• 下拉输入

【MicroPython】machine.Pin类函数详解

• machine.Pin(id, mode=None, pull=None, value)

  • Pin对象构造函数：根据参数初始化GPIO并返回

  • id：GPIO编号，数值为0-29，如使用GPIO13则此处填写13,。；

  • mode：模式,可选None 不初始化、Pin.IN(0) 输入模式、Pin.OUT(1) 输出模式、Pin.OPEN_DRAIN(2) 开漏模式；

  • pull：使用内部上下拉电阻，仅在输入模式下有效，可选 None 悬空、Pin.PULL_UP(1) 上拉、Pin.PULL_DOWN(2)
    下拉；

  • value：输出或开漏模式下端口值，0为低(off)、1为高(on)；

第一个参数ID，代表GPIO编号，数值应在0-29，如使用GPIO13则此处填写13。

第二个参数mode代表GPIO模式 可设置为不初始化，输入模式 输出模式 和开漏模式

第三个参数pull为使用内部上下拉电阻，可设置为上拉 下拉 和悬空 注意该参数仅在输入模式下有效。

第四个参数为输出数值，输出或开漏模式下端口值有效。

• Pin.init(mode=None, pull=None)
  • 重新初始化GPIO口；
  • mode：模式,可选None、Pin.IN(0)、Pin.OUT(1)、Pin.OPEN_DRAIN(2)；
  • pull：使用内部上下拉电阻，仅在输入模式下有效，可选 None、Pin.PULL_UP(1)、Pin.PULL_DOWN(2)；

其作用为重新初始化GPIO,参数与PIN构造函数相同，这里就不一一赘述了.

• Pin.value([x])
  • 不填写参数的情况下返回GPIO端口数值，
  • 在填写参数的情况下将参数写入GPIO端口中，参数可为0或者1；

PIN类中value函数作用为在不填写参数的情况下返回GPIO端口数值，在填写参数的情况下将参数写入GPIO端口中，参数可为0或者1；

• Pin.toggle()
  • 输出或开漏模式下将端口设置翻转

PIN类中toggle函数为在输出或开漏模式下端口值进行一次翻转

• Pin.low()
  • 输出或开漏模式下将端口设置为低；
• Pin.off()
  • 输出或开漏模式下将端口设置为低；
• Pin.high()
  • 输出或开漏模式下将端口设置为高；
• Pin.on()
  • 输出或开漏模式下将端口设置为高；

以上四个函数均用于输出或开漏模式下，Low OFF 设置为低(0)， high和on设置为高(1)

• Pin.irq(handler=None,trigger=(Pin.IRQ_FALLING | Pin.IRQ_RISING))
• 外部中断函数
  • 用于设置外部中断
  • handler：中断触发回调函数；
  • trigger：中断触发条件，设置为：
    • Pin.IRQ_FALLING 下降沿中断。
    • Pin.IRQ_RISING 在上升沿中断

PIN类irq函数为外部中断函数， 第一个参数为中断触发回调函数； 第二个参数trigger为中断触发条件，设置为边缘触发或者电平触发。

实操

准备扩展工具；

• pico 1
• 面包板 1
• 直插按键 1
• 直插LED 1
• 适当阻值的直插电阻 1
• 杜邦线若干

将按键连接到GPIO15上面
将外部LED连接到GPIO16上面，通过1K电阻进行限流

码代码：

导入machine库中的Pin类

import machine
from machine import Pin

前者会将整个machine库导入
后者将单独导入machine库中的Pin类
相比前者，后者占用的内存更小

from machine import Pin
import utime

# 输入模式
# 初始化GPIO15，输入模式，使用内部上拉的Pin对象并赋予给了button
button_num = 15
button = Pin(button_num, Pin.IN, Pin.PULL_UP)


# 输出模式
  # 初始化GPIO16，输出模式
external_led_num = 16;
external_led = Pin(external_led_num, Pin.OUT)

  # 初始化GPIO25，输出模式
led_num = 25
led = Pin(led_num, Pin.OUT)

print("button gpio={0}".format(button_num))
   


while True:
   #led灯关闭
   # 按键释放完后将GPIO25(led)设置为低电平
   # 然后等待按间再次按下
   lef.off()   
   # 读取按钮的值
   # 读取GPIO15的数值并判断是否为0，0表示按钮被按下
   # 等待10ms后重新判断按钮是否被按下
   # 若还是按下就开始执行下一步 
   if(button.value() == 0):
   # 进行了一个软件消抖，即检测出按键闭合后执行一个10ms的延时，要前沿抖动消失后再一次检测按键状态
   # 若仍保持闭合状态下的电平，则认为有键按下，才转入按键处理程序
        utime.sleep(0.01) 
        if(button.value() == 0):
            # 按键按下时，GPIO16反转
            external_led.toggle()
            # 打开ledGPIO25设为高电平
            led.on()
            print("button is pressed.")
            # 通过while循环等待按键释放，等待按键释放完后将会回到代码的顶端
            while(button.value() == 0):
               utime.sleep(0.01)

为什么要等待10ms后重新判断按键是否被按下？

在实际情况中，机械触点断开或者闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会一下就稳定的连接
在一起，也不会在断开时一下就断开
因此在闭合或断开的瞬间会产生一系列的抖动

如何避免？

• 按键消抖

	硬件消抖	软件消抖
优点	较少的软件开销	硬件的成本较低
缺点	硬件成本较高	较多的软件开销

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