一起玩转树莓派（2）——从双色LED灯开始

双色LED灯实验是入门树莓派GPIO外设编程的最简单的实验项目，我们也以其投石问路，来进入树莓派的编程世界。

一、从了解GPIO开始

GPIO全称General-purpose input/output，即通用型输入输出，其引脚能够供使用者自由的进行使用，可以对其进行输入，也可以读取其数据进行数据输出，这些引脚的输入或输出都会关联到某个寄存器，寄存器的值控制引脚的电平高低。

以笔者使用树莓派3B+为例，其有40个GPIO引脚，在开始编程之前，我们首先要搞清楚每个引脚的功能意义，从树莓派官网的文档中可以找到GPIO引脚的功能介绍，如下图所示：

我们并不需要对树莓派的GPIO引脚做深入的记忆，只需要记住当正面摆放树莓派时，其最左上角的一个引脚对应的是5V电压的功能，之后对照此图即可确定每一个引脚的功能。后面我们会通过GPIO扩展板加面包板的方式来使用这些引脚，扩展板上默认会标注一些引脚功能，我们使用起来会更加方便。

笔者使用的扩展板引脚标注示如下：

使用排线将其与树莓派正向连接，如下图所示：

可以看到扩展板上的引脚标注与树莓派本身的引脚排布并不一致，下面我会给大家介绍如何定位到要使用的引脚。

二、关于GPIO引脚编码

常用的GPIO引脚编码有3种。

我们也可以在树莓派的终端输入如下指令查看GPIO引脚功能：

pinout

输出效果如下图所示：

需要注意，上图中的GPIO使用的是逻辑编码，从1开始，实际上BCM编码并不是从1开始的。

第1种：BOARD物理编码

物理编码比较好理解，也很直观，其就是根据树莓派上40个引脚的位置进行排序编码，如博客中第一张图所示，正向放置树莓派时，第2排的第1个引脚编号为1，第1排第1个引脚编号为2，依次类推。后面在编写代码时，我们使用的编码方式也是这种。

第2种：BCM编码

BCM编码是一种更底层的编码方式，与系统中信道编号相对应。在使用一个引脚时，如果使用BCM编码，首先需要查找信道号和物理引脚编号之间的对应规则。对于不同的树莓派版本，可能无法兼容。下图很好的描述了几种编码的信息：

上面我们扩展板上GPIO引脚的标注，实际上使用的就是BCM编码，这也就是说，如果我们要使用树莓派GPIO2和GPIO3两个功能引脚，指定的是物理引脚需要是13和15。直接将线连接到扩展板的G22和G27一行即可，非常直观。

第3种：WiringPi编码

WiringPi编码对应的引脚号是在wiringPI库中所使用的，网上很容易找到其编码的相关资料，本系列博客我们不会使用到这个编码，这里不再赘述。

现在，我们总结一下如何使用GPIO引脚。

首先在上图中找到自己要使用的功能引脚，如GOIP.2和GPIO.3两个功能引脚。
之后找到其对应的物理引脚，即13和15。
如果不使用扩展板，则直接接线物理引脚，如果要使用，则找到其对应的BCM编码，27和22。
使用扩展板上的G27和G22引脚插槽。

三、了解双色LED灯并接线

双色LED灯构造非常简单，顾名思义，其可以发出两种颜色的光，其内部封装了两个发光二极管。双色LED分为共阴型和共阳型，两个发光二极管共有3个引脚，因此其中一个引脚是共用的。对于共阴型的，两个发光二极管的阴极连在一起。对于共阳型的，两个二极管的阳极连在一起。我们这次使用的将是共阴极的双色LED灯，如下图所示：

其内部工作原理电路图如下，也非常好理解：

如上图所示，可以看到两个二极管的阴极是共用，我们将其公共引脚接地即可，两个阳极是由两个开关控制，即LED等芯片上的另外两个引脚，我们只需要通过GPIO控制将对应的引脚加高电平，即可将二极管点亮。

开始接线

我们已经了解了双色LED等的工作原理，其有3个引脚，我们将引脚“-”接地，S端的引脚接扩展板G22用来控制红灯，中间的引脚接G27用来控制绿灯。接线情况如下图所示：

现在，准备工作大功告成，开始我们的编码工作吧。

四、编写红绿灯控制程序

目前为止，我们已经做了足够多的准备工作，你一定已经迫不及待的想要开始编码了，我们先把完整的代码奉上：

#coding:utf-8

# 导入UI模块
import tkinter as Tkinter
# 导入GPIO控制薄块
import RPi.GPIO as GPIO
# 定时器模块
import threading

# 主页面设置
top = Tkinter.Tk()
top.geometry('500x300')
top.title("双色LED灯控制器")
l = Tkinter.Label(top, text='欢迎使用双色LED灯控制器', bg='green', font=('Arial', 18), width=30, height=2)
l.pack()

# 定义引脚
pins = {0:13,1:15}
# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 设置隐藏警告
GPIO.setwarnings(False)
# 初始化物理引脚 13 和 15
GPIO.setup(pins[0],GPIO.OUT)
GPIO.setup(pins[1],GPIO.OUT)

# 定义全局字段 用来处理闪烁功能
# f:是否闪烁  l:下次点亮红灯或绿灯
f = False
l = False

# 控制红灯亮
def redClick():
    global f
    f = False
    GPIO.output(pins[0],GPIO.HIGH)
    GPIO.output(pins[1],GPIO.LOW)
    
# 控制绿灯亮
def greenClick():
    global f
    f = False
    GPIO.output(pins[0],GPIO.LOW)
    GPIO.output(pins[1],GPIO.HIGH)

# 退出程序
def stopClick():
    global f
    f = False
    GPIO.output(pins[0],GPIO.LOW)
    GPIO.output(pins[1],GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()
    exit()

# 循环闪烁
def loop():
    global f
    global timer
    global l
    if f == False:
        return
    timer = threading.Timer(2,loop)
    timer.start()
    if l:
        GPIO.output(pins[0],GPIO.HIGH)
        GPIO.output(pins[1],GPIO.LOW)
    else:
        GPIO.output(pins[0],GPIO.LOW)
        GPIO.output(pins[1],GPIO.HIGH)
    # 转换下次闪烁的颜色
    l = not l

# 定义全局定时器
timer = threading.Timer(2, loop)

# 开始进行闪烁
def flckerClick():
    global f
    global timer
    f = True
    timer = threading.Timer(2,loop)
    timer.start()

# UI上的按钮布局
redButton = Tkinter.Button(top, text="红灯停", height='3', command=redClick)
redButton.pack()

greenButton = Tkinter.Button(top, text="绿灯行", height='3', command=greenClick)
greenButton.pack()

flckerButton = Tkinter.Button(top, text="闪烁请注意", height='3', command=flckerClick)
flckerButton.pack()

stopButton = Tkinter.Button(top, text="关闭", height='3', command=stopClick)
stopButton.pack()
# 进入消息循环
top.mainloop()

在树莓派上运行上面的代码，你现在应该已经可以灵活的控制双色LED灯的开关和闪烁了，如下图所示：