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树莓派GPIO和PWM控制教程

时间：2021-07-05 20:09:08

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树莓派GPIO和PWM控制教程

树莓派GPIO和PWM

1. 目的

在汽车电子开发中，CAN通讯是很难避开的一个技术点，当前CAN已经形成了行业内较为稳定的开发及相关测试验证方法，其中一种较为主流的就是使用CANoe和开发相应的CAPL脚本配合测试。然而，这套方案下来无论人力财力都是价格不菲，而且面对日异月新的技术发展也显得较为保守。所以笔者尝试使用树莓派配合MCP2515模块，进行低成本的CAN网络节点搭建和报文模拟，试图拓宽一下视野和思路。

本文针对普通外设和通讯外设，分别使用了Python 和 C进行编写控制，可以作为案例以便参考。

2. 材料准备

树莓派 zero wMCP2515模块2路继电器模块linux 使用基础

3. 初始设置

树莓派安装最新的官方程序，安装好之后将ssh，gpio，spi等设置统统设为开启。

然后将树莓派连接到局域网wifi，进行ssh登录管理（此处也可使用usb网卡模式进行ssh连接，好处是免除连接屏幕进行系统初始设置）。

ssh连接成功后将树莓派换成国内的源(笔者使用的阿里的源)，进行sudo apt-get update和sudo apt-get upgrade更新。

我们使用树莓派，需要进行GPIO设置和spi通讯，控制这两部分可以使用官方推荐的WringPi库，在官方系统中是默认安装的。经过如上操作后会将库更新至最新，使用gipo -v进行版本查看，使用gpio readall进行所有引脚定义查看。

除了WringPi库之外，树莓派还能够使用python进行GPIO的控制操作，导入RPi.GPIO模块即可。

4. GPIO 控制继电器

继电器模块采用[带光耦保护 2路继电器模块]，淘宝可以直接买到，该继电器模块是5v供电，需要两路输出IO进行低有效的控制，根据硬件特性选取树莓派如下引脚，与继电器模块进行连接。

4.1. 使用Python 的RPi.GPIO模块进行控制

针对继电器，可以使用python的RPi.GPIO模块进行控制，默认系统中会安装此模块，如果没有可以使用如下命令sudo pip3 install RPi.GPIO进行安装。

根据模块物理特性，需要设置38，40两个引脚为低电平输出，设置37脚为PWM模式，使用如下代码进行设置。

import RPi.GPIO as GPIO# Use BCM chip number as handleGPIO.setmode(GPIO.BCM)# Set useful channelRELAY_1 = 20RELAY_2 = 21PWM_1 = 26# Collect chip channel as setting listoutput_list = [RELAY_1,RELAY_2,PWM_1]# Set GPIO and PWM peripheralGPIO.setup(output_list, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)init_freq = 50 # initial frequency in Hzpwm_pin37 = GPIO.PWM(PWM_1, init_freq)# Set gpio as low output ,if high output then use GPIO.HIGHGPIO.output(RELAY_1,GPIO.LOW)# Start pwm ,initial duty cycle in 0.0 ,100.0init_dc = 50 pwm_pin37.start(init_dc)# Change frequency and duty cyclepara_freq = 60para_duty = 20pwm_pin37.ChangeFrequency(para_freq)pwm_pin37.ChangeDutyCycle(para_duty)# Stop PWM outpwm_pin37.stop()# Release system resource and close gpio controlGPIO.cleanup()

其中 PWM引脚输出电平最高为3.3V，输出波形较为工整，但是与设定的误差较大，当设定载频为1K时，实际测试为850Hz，设定载频为3K，实际输出2K，设定10K，实际输出3.6Ｋ。所以在使用PWM功能时需要实际测试输出的载频，在进行设定。

如下为载频设定为10K，实际输出3.6K的波形。

4.2. 使用WringPi库函数进行控制

WringPi库为C语言，需要进行编译后运行，与RPi的区别就是WringPi支持spi和iic通讯控制，后续进行CAN网络节点模拟也只能使用WringPi进行编写。如下为基本的设置函数示例，具体需要查看官方文档进行相应的函数调用及开发。

/*-----------------------------------------------------------------------------Function : Used for testing RaspberryPi ZeroW's gpio pin -> Relay FileName : TestRelay.cAuthor: TomatoTime : .2.4Version : 0.1Notes: None-----------------------------------------------------------------------------*/#include <wiringPi.h>#include <softPwm.h>/* Macro config define */#define RELAY_1 20U#define RELAY_2 21U#define PWM_126U/* Parameter define */static int high_edge_time = 0; // uint :0.1msstatic int cycle_time= 200; // uint :0.1msint main (void){/* Initial gpio with chip pin ,if use mapping pin -> wiringPiSetup*/wiringPiSetupGpio() ;/* Set relay1&2 pwm pin as output */pinMode(RELAY_1, OUTPUT) ; /* INPUTOUTPUTPWM_OUTPUTGPIO_CLOCKSOFT_PWM_OUTPUTSOFT_TONE_OUTPUTPWM_TONE_OUTPUT */pinMode(RELAY_2, OUTPUT) ;pinMode(PWM_1, SOFT_PWM_OUTPUT) ;softPwmCreate(PWM_1,high_edge_time,cycle_time);/* Main loop function */for (;;){/* Control relay */digitalWrite(RELAY_1, HIGH) ; delay(500) ;digitalWrite(RELAY_1, LOW) ; delay(500) ;/* Control pwm */softPwmWrite(PWM_1, 20); // duty = 20/cycle_timedelay(5000);softPwmWrite(PWM_1, 50);delay(5000);softPwmWrite(PWM_1, 90);delay(5000);}return 0 ;}

编写好如上函数后，进行编译和链接，链接的时候需要使用 -lwringPi 这个指令，进行相应库函数的链接。如需要编译PWM引脚控制部分，则需要增加 -lpthread 链接指令。

gcc -o TestRelay TestRelay.c -lwiringPi -lpthread

编译成功后，使用sudo ./TestRelay命令直接运行我们编译指定的程序标识名TestRelay，实际可以看到继电器的切合，以及PWM输出。

如程序中设定，测试实际输出如下图所示，使用PWM控制有如下限制，

PWM设定的程序跑在10ms的线程任务下，所以每s最多更改100次，每操控一个GPIO引脚，CPU负载率会上升 0.5%左右，要根据当前树莓派的负载率进行合理设置，以保证有足够的资源进行外部通讯连接。

需要注意的是 PWM控制中，使用RPi 和WringPi所输入的参数的角度不同，如需要切换使用则要参考如上两个源码示例，进行测试。