将 GPIO 用于二进制输入

项目
06/05/2023

通用 I/O (GPIO) 引脚可配置为接收电信号作为输入。根本上，这对于检测线路断开/闭合很有用。此类线路可能包括下压按钮、拨动开关、簧片开关、压力开关和其他通过接通线路来表示二进制（开/关）值的设备。

在本教程中，你将使用 .NET 和 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚来检测线路的断开和闭合。

先决条件

基于 ARM（ARMv7 或更高版本）的单板计算机 (SBC)
跳线
线路板（可选）
Raspberry Pi GPIO 分线板（可选）
.NET SDK 7 或更高版本

注意

本教程编写时假设目标设备是 Raspberry Pi。但是，本教程可用于支持 .NET 的任何基于 Linux 的 SBC，例如 Orange Pi、ODROID 等。

确保已在设备上启用 SSH。对于 Raspberry Pi，请参阅 Raspberry Pi 文档中的“设置 SSH 服务器”。

准备硬件

使用硬件组件构建电路，如下图所示：

上图显示了接地引脚与引脚 21 之间的直接连接。

提示

出于说明目的，该图显示了线路板和 GPIO 分线，你可以随意将接地引脚和引脚 21 与 Raspberry Pi 上的跳线连接起来。

根据需要，请参阅以下引脚分配关系图：

图片由 Raspberry Pi 基金会提供。

创建应用

在首选开发环境中完成以下步骤：

使用 .NET CLI 或 Visual Studio 创建一个新 .Net 控制台应用。将其命名为 InputTutorial。
```
dotnet new console -o InputTutorial
cd InputTutorial
```
将 System.Device.Gpio 包添加到项目中。使用项目目录或 Visual Studio 中的任一 .NET CLI。
```
dotnet add package System.Device.Gpio --version 2.2.0-*
```
将 Program.cs 的内容替换为以下代码：
```
using System.Device.Gpio;
using System.Threading.Tasks;

const int Pin = 21;
const string Alert = "ALERT 🚨";
const string Ready = "READY ✅";

using var controller = new GpioController();
controller.OpenPin(Pin, PinMode.InputPullUp);

Console.WriteLine(
    $"Initial status ({DateTime.Now}): {(controller.Read(Pin) == PinValue.High ? Alert : Ready)}");

controller.RegisterCallbackForPinValueChangedEvent(
    Pin,
    PinEventTypes.Falling | PinEventTypes.Rising,
    OnPinEvent);

await Task.Delay(Timeout.Infinite);

static void OnPinEvent(object sender, PinValueChangedEventArgs args)
{     
    Console.WriteLine(
        $"({DateTime.Now}) {(args.ChangeType is PinEventTypes.Rising ? Alert : Ready)}");
}
```
在上述代码中：
- using 声明创建 GpioController 实例。 using 声明可确保对象已处置，硬件资源已正确释放。
  - GpioController 不使用任何参数进行实例化，这表明它应检测它在哪个硬件平台上运行，并表明它应使用逻辑引脚编号方案。
- 通过 PinMode.InputPullUp 打开 GPIO 引脚 21。
  - 这会打开引脚，同时接入 PullUp 电阻器。在这种模式下，引脚接地时，它会返回 PinValue.Low。引脚断开接地且线路开路时，引脚会返回 PinValue.High。
- 使用三元表达式将初始状态写入控制台。使用 Read() 读取引脚的当前状态。如果是 PinValue.High，它会将 Alert 字符串写入控制台。否则，它会写入 Ready 字符串。
- RegisterCallbackForPinValueChangedEvent() 为引脚上的 PinEventTypes.Rising 和 PinEventTypes.Falling 事件注册回叫函数。这些事件分别对应于引脚状态 PinValue.High 和 PinValue.Low。
- 回叫函数指向名为 OnPinEvent() 的方法。 OnPinEvent() 使用另一个三元表达式，该表达式也会写入相应的 Alert 或 Ready 字符串。
- 主线程在等待引脚事件时无限期休眠。
构建应用程序。如果使用的是 .NET CLI，请运行 dotnet build。若要在 Visual Studio 中进行生成，请按 Ctrl+Shift+B。
将该应用作为独立应用部署到 SBC。有关说明，请参阅将 .NET 应用部署到 Raspberry Pi。请确保使用 chmod +x 指定可执行的 execute 权限。
通过切换到部署目录并运行可执行文件，在 Raspberry Pi 上运行该应用。
```
./InputTutorial
```
控制台显示文本类似于以下内容：
```
Initial status (05/10/2022 15:59:25): READY ✅
```
断开引脚 21 与地的连接。控制台显示文本类似于以下内容：
```
(05/10/2022 15:59:59) ALERT 🚨
```
重新建立引脚 21 与地的连接。控制台显示文本类似于以下内容：
```
(05/10/2022 16:00:25) READY ✅
```
按 Ctrl+C 终止程序。

恭喜！你已通过 GPIO 使用 System.Device.Gpio NuGet 包检测输入！此类型的输入有很多种用途。此示例适用于开关连接或断开线路的所有方案。在下例中，将其与磁簧开关结合使用，后者常用于检测打开的门或窗。

该动画 GIF 演示磁簧开关的打开和关闭。开关位于磁铁上，应用显示“就绪”。移除磁铁时应用会显示“警报”。然后重复该操作。

激光绊线

进一步扩展上述示例概念，了解如何使用它来创建激光绊线。生成激光绊线需要以下附加组件：

KY-008 激光发射器模块
激光接收器传感器模块（见下方注释）
2 个 10K Ω 电阻器

注意

激光接收器传感器模块是许多 Internet 零售商的通用模块的通用名称。该设备的名称或制造商可能会有所不同，但应与此图类似。

激光接收器传感器模块的图像

连接激光绊线硬件

连接这些组件，详见下图。

密切注意 10K Ω 电阻器。它们可实现分压器。这是因为激光接收器模块输出 5V 来表示光束受损。 Raspberry Pi 仅支持最高 3.3V 的 GPIO 输入。由于向引脚发送完整的 5V 电压可能会损坏 Raspberry Pi，因此接收器模块的电流会经分压器将电压减半至 2.5V 来进行传输。

应用源代码更新

几乎可以使用之前的代码，但有一个例外。在其他示例中，我们使用了 PinMode.InputPullUp，因此引脚与地的连接断开且线路开路时，引脚返回 PinValue.High。

但对于激光接收器模块，我们没有检测到线路开路。相反，我们希望将该引脚用作接收器，以接收激光接收器模块的电流。在这种情况下，我们将使用 PinMode.InputPullDown 打开引脚。通过这种方式，引脚在未接收到电流时返回 PinValue.Low，接收到激光接收器模块的电流时返回 PinValue.High。

controller.OpenPin(pin, PinMode.InputPullDown);

重要

测试激光绊线之前，确保 Raspberry Pi 上部署的代码包含此更改。即使没有该代码，程序也可以正常运行，但使用错误的输入模式可能会损坏 Raspberry Pi！

该动画 GIF 演示激光绊线。激光发射器点亮激光传感器模块，应用显示“就绪”。激光束受损时应用显示“警报”。然后重复该操作。

获取源代码

GitHub 上提供此教程的源。

后续步骤

了解如何从传感器读取环境条件