使用 GPIO 進行二進位輸入

2025-04-18

一般用途 I/O（GPIO）引腳可以設定為接收電信號作為輸入。在最基本的層級，這適用於偵測線路的開啟/關閉案例。這類線路可能包括按鈕、切換開關、簧片開關、壓力開關和其他裝置，這些裝置通過完成電路來表示二進位（開/關）值。

在本教學課程中，您將使用 .NET 和 Raspberry Pi 的 GPIO 針腳來偵測線路的開頭和結尾。

先決條件

ARM 型（ARMv7 或更新版本）單板電腦（SBC）
跳線
麵包板（選擇性）
Raspberry Pi GPIO 擴展板（選用）
.NET SDK 8 或更新版本

備註

本教學課程是以Raspberry Pi為目標裝置所撰寫。不過，本教學課程可用於支援 .NET 的任何 Linux 型 SBC，例如 Orange Pi、ODROID 等等。

確定您的裝置上已啟用 SSH。針對Raspberry Pi，請參閱Raspberry Pi檔中的設定 SSH 伺服器。

準備硬體

使用硬體元件來建置線路，如下圖所示：

上圖描述接地針腳與針腳 21 之間的直接連線。

小提示

此圖描述了一個麵包板和 GPIO 拓展板用於說明，但可以直接在 Raspberry Pi 上使用跳線線隨意連接接地針腳和針腳 21。

請視需要參閱下列接腳配置圖：

圖片由Raspberry Pi Foundation 提供。

建立應用程式

在慣用的開發環境中完成下列步驟：

使用 .NET CLI 或 Visual Studio 建立新的 .NET 控制台應用程式。將它命名為 InputTutorial。
```
dotnet new console -o InputTutorial
cd InputTutorial
```
將 System.Device.Gpio 套件新增至專案。從項目目錄或Visual Studio使用 .NET CLI。
```
dotnet add package System.Device.Gpio --version 3.2.0-*
```
使用下列程式碼取代 Program.cs 的內容：
```
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)}");
}
```
在上述程式碼中：
- using 宣告會建立GpioController的實例。宣告 using 確保物件被處置且硬體資源被正確釋放。
  - GpioController 實例化時沒有包含任何參數，表示它應該偵測所運行的硬體平台，並使用邏輯針腳編號配置。
- GPIO 針腳 21 是使用 PinMode.InputPullUp 開啟的。
  - 這會啟用連接有PullUp電阻的引腳。在此模式下，當針腳連線到接地時，它會傳回 PinValue.Low。當針腳與接地中斷連線且線路斷路時，針腳會傳回 PinValue.High。
- 初始狀態會使用三元表示式寫入主控台。使用 Read() 讀取針腳的目前狀態。 PinValue.High如果是，它會將Alert字串寫入主控台。否則，它會寫入 Ready 字串。
- RegisterCallbackForPinValueChangedEvent() 註冊了一個回呼函數，用於針腳上的 PinEventTypes.Rising 和 PinEventTypes.Falling 事件。這些事件分別對應至PinValue.High和PinValue.Low的針腳狀態。
- 回呼函式指向稱為 OnPinEvent()的方法。 OnPinEvent() 使用另一個三元表達式來寫入對應的 Alert 或 Ready 字串。
- 主線程在等候引腳事件時會無限期地睡眠。
建置應用程式。如果使用 .NET CLI，請執行 dotnet build。若要在 Visual Studio 中建置，請按 Ctrl+Shift+B。
將應用程式部署至 SBC 作為獨立應用程式。如需指示，請參閱將 .NET 應用程式部署至Raspberry Pi。請務必使用提供可執行檔chmod +x許可權。
切換至部署目錄並執行可執行檔，在Raspberry Pi上執行應用程式。
```
./InputTutorial
```
主控台會顯示類似下列的文字：
```
Initial status (05/10/2022 15:59:25): READY ✅
```
斷開針腳 21 與接地的連接。主控台會顯示類似下列的文字：
```
(05/10/2022 15:59:59) ALERT 🚨
```
重新連接針腳 21 和接地。主控台會顯示類似下列的文字：
```
(05/10/2022 16:00:25) READY ✅
```
按 Ctrl+C 終止程式。

祝賀！您已使用 NuGet 套件來透過 GPIO 偵測 System.Device.Gpio 輸入！此類型的輸入有許多用途。這個範例可以與交換器連接或中斷線路的任何案例搭配使用。以下是將它與磁力開關搭配使用的範例，通常用來偵測打開的門或窗戶。

動畫 GIF 示範磁力開關的開啟和關閉。開關會暴露在磁力中，而應用程式會顯示 READY。已移除磁石，且應用程式會顯示 ALERT。接著會重複此動作。

雷射絆索

進一步擴充先前的範例概念，讓我們來探討這如何應用於建立雷射感應線。製作鐳射絆線（tripwire）需要下列額外的元件：

KY-008 激光發射模組
鐳射接收器感測器模組 （請參閱下方附註）
2 10K Ω電阻

備註

鐳射接收器感測器模組 是套用至許多因特網零售商找到的通用模組的一般名稱。裝置的名稱或製造商可能會有所不同，但應該類似此映像。

鐳射接收器感測器模組的影像

連接雷射絆線裝置硬體

請依照下圖所示連接元件。

密切關注 10K Ω電阻。這些會實作分壓器。這是因為雷射接收器模組輸出 5V 來表示光束已中斷。 Raspberry Pi 只支援最多 3.3V 的 GPIO 輸入。由於將完整的 5V 傳送到針腳可能會損壞 Raspberry Pi，因此接收器模組的電流會通過電壓分流器，將電壓減半至 2.5V。

套用原始程式碼更新

您幾乎可以使用與先前相同的程序代碼，但有一個例外狀況。在其他範例中，當針腳與接地斷開且電路開路時，我們使用 PinMode.InputPullUp 讓針腳回傳 PinValue.High 狀態。

不過，在鐳射接收器模塊的情況下，我們不會偵測到開放式電路。相反地，我們希望引腳作為電流從雷射接收器模組洩入的途徑。在此情況下，我們會使用 PinMode.InputPullDown 打開釘選。如此一來，針腳會在未收到電流時傳回PinValue.Low，以及從鐳射接收器模組接收電流時傳回PinValue.High。

controller.OpenPin(pin, PinMode.InputPullDown);

這很重要

在測試鐳射 tripwire 之前，請確定部署在 Raspberry Pi 上的程式碼包含這項變更。程式確實可以運作，但使用錯誤的輸入模式可能會損害您的Raspberry Pi！

動畫 GIF 顯示鐳射三線的示範。激光發射器會照亮鐳射感測器模組，而應用程式會顯示 READY。鐳射束已損壞，應用程式會顯示 ALERT。接著會重複此動作。

取得原始程式碼

本教學課程的來源可在 GitHub 上取得。

後續步驟

瞭解如何從感測器讀取環境條件

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