【得捷电子Follow me第2期】GPIO? GPIO!

Vaintory · 发表于2023-10-29 21:00

【得捷电子Follow me第2期】GPIO? GPIO! [复制链接]

<i class="pstatus"> 本帖最后由 Vaintory 于 2023-11-1 01:44 编辑 </i>

# 【得捷电子Follow me第2期】GPIO? GPIO!

> 任务3：使用按键控制板载Neopixel LED的显示和颜色切换
> 使用器件：Adafruit ESP32-S3 TFT Feather开发板

[TOC]

## GPIO

GPIO是通用输入输出（General Purpose Input/Output）的简称，这是集成电路上的一种引脚，不具有特定功能。虽然大多数引脚都有专用用途，例如向特定组件发送信号，但GPIO引脚的功能是可定制的，并且可以由软件控制。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_745757_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>adafruit_products_Adafruit_ESP32-S3_TFT_Feather_Pinout.png</strong> <em class="xg1">(291.13 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_745757" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=745757&handlekey=savephoto_745757">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

从Adafruit ESP32-S3 TFT Feather开发板引脚图可以发现，除了少部分电源引脚外，绝大部分引脚都是GPIO引脚——除了通用的输入输出功能外，还定义了特殊功能，可以和特定外设通信。

### 控制GPIO输出

为了控制GPIO输出高低电电平，需要使用`digitalio`模块。`digitalio`模块包含提供对基本数字IO访问的类。
> The `digitalio` module contains classes to provide access to basic digital IO.

所有类都会更改硬件状态，如果程序在使用后继续运行，则当不再需要它们时，应将其取消初始化。为此，请调用`deinit()`或使用上下文管理器。
> All classes change hardware state and should be deinitialized when they are no longer needed if the program continues after use. To do so, either call `deinit()` or use a context manager.

---

我们以控制红色LED闪烁为例：

1. 实例化`DigitalInOut`对象：
  ```python
  led = digitalio.DigitalInOut(board.LED)
  ```
  其中`board.LED`是红色LED在开发板中对应的引脚，其在`board`模块中被定义

1. 设置`led`工作模式为输出，有两种方式：
  ```python
  led.switch_to_output()
  ```
  或
  ```python
  led.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
  ```

1. 修改输出电平只需要修改`DigitalInOut`对象`value`属性的值，例如：
  ```python
  led.value = True
  ```

控制红色LED以0.5s为间隔闪烁完整代码如下：
```python
import time
import digitalio
import board

led = digitalio.DigitalInOut(board.LED)
led.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
while True:
    led.value = True
    time.sleep(0.5)
    led.value = False
    time.sleep(0.5)
```

### 读取GPIO输入

1. 与控制GPIO输出类似，我们为了读取按键的输入，需要先实例化一个`button`对象：
  ```python
  button = digitalio.DigitalInOut(board.BUTTON)
  ```

1. 为了正确读取GPIO引脚的电平，需要设置GPIO为上拉模式：
  ```python
  button.switch_to_input(pull=digitalio.Pull.UP)
  ```

1. 读取`button.value`的值即可得到GPIO的输入

根据按钮状态控制红色LED亮灭完整代码如下：
```python
import digitalio
import board

led = digitalio.DigitalInOut(board.LED)
led.direction = digitalio.Direction.OUTPUT

button = digitalio.DigitalInOut(board.BUTTON)
button.switch_to_input(pull=digitalio.Pull.UP)

while True:
  if not button.value:
  led.value = True
  else:
  led.value = False
```

## Neopixel

NeoPixel 被 Adafruit 称为 WS281x 系列可寻址 RGB LED。 它包含三个 LED（一个红色、一个绿色和一个蓝色），旁边还有一个驱动器芯片，位于由单个引脚控制的微型封装中。 它们可以单独使用（如开发板上的内置 LED），也可以以条状或其他创意形式链接在一起。NeoPixel 不会自行发光，需要一个微控制器。
> A NeoPixel is what Adafruit calls the WS281x family of addressable RGB LEDs. It contains three LEDs - a red one, a green one and a blue one - along side a driver chip in a tiny package controlled by a single pin. They can be used individually (as in the built-in LED on your board), or chained together in strips or other creative form factors. NeoPixels do not light up on their own; they require a microcontroller.

开发板上的Neopixel位置如图所示

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_745758_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>adafruit_products_FS3TFT_NeoPixel_highlighted_green.jpg</strong> <em class="xg1">(317.6 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_745758" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=745758&handlekey=savephoto_745758">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

1. 为了在CircuitPython中控制Neopixel，需要将[neopixel库](https://circuitpython.org/libraries)拷贝到CIRCUITPY磁盘驱动器的lib文件夹内。

1. 实例化`neopixel`对象：
  ```python
  pixel = neopixel.NeoPixel(board.NEOPIXEL, 1)
  ```
  其中第一个参数是NeoPixel LED引脚，第二个参数是LED的数量

1. 设置NeoPixel亮度：
  ```python
  pixel.brightness = 0.1
  ```
  亮度参数为`0.0`至`1.0`之间的浮点数，对应`0%`至`100%`亮度（默认的`1.0`亮度很亮，最好减小亮度值）

1. 设置（填充）NeoPixel颜色：
  ```python
  pixel.fill((255, 0, 0)) # 该函数参数为一组RGB值
  ```

控制NeoPixel LED显示红色的完整代码：
```python
import board
import neopixel

pixel = neopixel.NeoPixel(board.NEOPIXEL, 1)

pixel.brightness = 0.3
pixel.fill((255, 0, 0))
```

## 按键消抖

按键在按下时，活动触点击打固定触点会有机械振动，因而造成输出波形抖动，因按键形态和触点材料的不同，抖动的过程一般会持续数毫秒，金属触点的按键可能达到10ms，而软性触点（如导电橡胶或薄膜）则可能在1ms以内甚至没有抖动。

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_745760" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=745760&handlekey=savephoto_745760">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

常用的按键消抖方法有两种：硬件消抖和软件消抖。

### 硬件消抖

在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。消抖硬件最简单的方式并联一颗电容，利用RC积分电路可以吸收振荡脉冲的特点，正确选取适当的时间常数，便可消除按键抖动的影响。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_745762_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>电容滤波消抖.png</strong> <em class="xg1">(51.58 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_745762" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=745762&handlekey=savephoto_745762">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 软件消抖

当按键较多时，硬件方法将导致系统硬件电路设计复杂化，硬件消抖将无法胜任，这时常采用软件方法进行消抖。常用软件方法去抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，5ms～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。

为了保证按下一次按钮只改变一次NeoPixel LED的状态，需要软件等待按钮释放。完整代码如下：

```python
while True:
  if button.value == False:
  time.sleep(0.02) # 软件消抖20ms
  if button.value == False:
    # do something
    while not button.value:
      pass # 识别按键按下后阻塞, 等待按键释放
```

## 最终效果

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_745759_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>button_control_neopixel.gif</strong> <em class="xg1">(9.53 MB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_745759" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=745759&handlekey=savephoto_745759">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

# 附件

## 完整代码（[下载链接](https://download.eeworld.com.cn/detail/Vaintory/629769)）

```python
import board
import digitalio
import neopixel

# 1. 定义颜色列表
colors = [
  (255, 0, 0),  # red
  (0, 255, 0),  # green
  (0, 0, 255),  # blue
  (0, 255, 255),  # cyan
  (255, 0, 255),  # purple
  (255, 255, 0),  # yellow
  (255, 255, 255),  # white
  (0, 0, 0)   # black(off)
]

# 2. 初始化按钮
button = digitalio.DigitalInOut(board.BUTTON)
button.switch_to_input(pull=digitalio.Pull.UP)

# 3. 初始化NeoPixel
pixel = neopixel.NeoPixel(board.NEOPIXEL, 1)
pixel.brightness = 0.1

# 4. 主程序
color_idx = 0
pixel.fill(colors[color_idx])

while True:
  if button.value == False:
  time.sleep(0.02) # 软件消抖20ms
  if button.value == False:
    color_idx = (color_idx + 1) % len(colors)
    pixel.fill(colors[color_idx])
    while not button.value:
      pass # 单次按下
```

## [视频链接](https://training.eeworld.com.cn/video/38230)

Jacktang · 发表于2023-10-30 07:28

通过实验对比一下按键消抖，硬件消抖，软件消抖的不同，结果如何

pildio

很强

【得捷电子Follow me第2期】GPIO? GPIO! [复制链接]

最新回复