Raspberry Pi - GPIO 连接器

Raspberry Pi - GPIO 连接器

Raspberry Pi 的标志性特性之一（最初不包括 Pico 微控制器）是通用输入/输出（General Purpose Input/Output, GPIO）排针。这排引脚允许 Pi 通过连接到电子元件，如 LED、传感器、按钮、电机（通过驱动板）和其他集成电路来与物理世界交互。

40 针排针

所有现代 Raspberry Pi 型号（从 Pi 1 Model B+ 开始）都具有标准的 40 针排针。理解每个引脚的功能对于电子项目至关重要。

关键引脚类型：

• 电源引脚： 为外部组件提供电源。有 +5V 和 +3.3V 引脚。
• 接地引脚（GND）： 提供电路的通用 0V 参考点。
• 通用输入/输出引脚（GPIO）： 这些是可编程引脚。每个引脚都可以配置为输入（读取传感器/按钮的信号）或输出（发送信号控制 LED/电机）。它们工作在 3.3V 逻辑电平。
• 特殊功能引脚： 一些 GPIO 引脚具有标准通信协议（如 I2C、SPI 和 UART）的替代功能。

引脚编号

引用引脚有两种常见方式：

• 物理引脚编号（Board Pin Numbering）： 从排针上物理引脚的 1 到 40 进行计数，从左上角开始向下，然后从右上角开始向下（当 USB/以太网端口朝向您时）。
• BCM（Broadcom）引脚编号（BCM Pin Numbering）： 指的是 Broadcom 处理器使用的 GPIO 通道号（例如 GPIO17, GPIO22）。这是在 gpiozero 和 RPi.GPIO 等软件库中最常使用的编号方案。

了解您的代码或图表使用的是哪种编号方案至关重要。您可以在 Pi 上直接打开终端并运行以下命令来查看交互式引脚布局图：

pinout

此命令会显示两种编号方案、当前功能和电压电平。

GPIO 安全规则 - 重要！

不遵守这些规则可能会永久损坏您的 Raspberry Pi：

• 切勿向任何 GPIO 引脚连接超过 3.3V 的电压。 将 5V 直接连接到 GPIO 输入引脚会将其损坏。
• 不要从 GPIO 引脚抽取过大的电流。 每个配置为输出的引脚只能安全地提供少量电流（通常最高 16mA）。所有 GPIO 引脚的总电流抽取不应超过约 50mA。
• 为 LED 使用限流电阻。 将 LED 与适当的电阻（例如 220-330 欧姆）串联，以防止它们从 GPIO 引脚抽取过大的电流。
• 不要从 3.3V 电源引脚抽取过大的电流。 从 3.3V 引脚的总电流抽取通常应保持在 50-100mA 以下（请检查特定型号规格）。功耗大的组件应使用 5V 引脚或外部电源。
• 不要将引脚短接在一起，特别是电源引脚和接地引脚。 在通电前仔细检查接线。
• 避免在 Pi 通电时连接/断开电线（防静电措施也很重要）。

在 Python 中使用 GPIO

Python 是在 Pi 上控制 GPIO 引脚最常用的语言。有几个库可用：

gpiozero（推荐给初学者）

gpiozero 为 LED、按钮、传感器和电机等常见组件提供了简单、面向对象的接口。它自动处理许多底层设置，默认使用 BCM 引脚编号。它通常预装在 Raspberry Pi OS 桌面版中。

安装（如果需要）：

sudo apt update
sudo apt install python3-gpiozero

示例：闪烁一个连接在 GPIO17 和 GND 之间（带有电阻）的 LED：

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(17) # Use BCM pin number

while True:
    led.on()  # Turn LED on
    sleep(1)  # Wait 1 second
    led.off() # Turn LED off
    sleep(1)  # Wait 1 second

RPi.GPIO（低级控制）

此库提供对 GPIO 功能更直接的控制（设置引脚模式、上拉/下拉电阻、检测边缘）。它允许使用 BCM 或物理引脚编号。需要更明确的设置和清理。

安装（如果需要）：

sudo apt update
sudo apt install python3-rpi.gpio

示例：使用 RPi.GPIO 闪烁一个 LED（BCM 编号）：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

LED_PIN = 17

GPIO.setmode(GPIO.BCM) # Use BCM pin numbering
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) # Set pin as output

try:
    while True:
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) # Turn LED on
        time.sleep(1)
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)  # Turn LED off
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt: # Allows clean exit with Ctrl+C
    pass
finally:
    GPIO.cleanup() # Reset GPIO pins

特殊功能接口（I2C、SPI、UART）

许多传感器和外围设备使用标准通信协议，如 I2C、SPI 或 UART。这些接口在使用前需要启用。

启用接口

启用这些接口最简单的方法是使用 Raspberry Pi 配置工具：

1. 从桌面环境：应用程序菜单 -> 首选项 -> Raspberry Pi 配置 -> 接口选项卡。
2. 从命令行：运行 sudo raspi-config，导航到“接口选项”，选择接口（I2C、SPI、串行端口），然后选择“启用”。
3. 启用接口后重新启动您的 Pi，以使更改完全生效。

I2C（集成电路间总线）

一种两线协议（SDA - 数据线，SCL - 时钟线），常用于传感器（温度、压力、加速度计）、RTC 模块和 OLED 显示屏。多个设备可以共享同一总线，每个设备都有唯一的地址。

• 引脚： 通常是 GPIO2 (SDA) 和 GPIO3 (SCL)。查看 pinout 命令。
• 工具： 安装 i2c-tools (sudo apt install i2c-tools)。使用 sudo i2cdetect -y 1 命令扫描总线并查找已连接设备的地址。
• Python： 使用 smbus2 库 (sudo apt install python3-smbus)。

SPI（串行外设接口）

一种四线协议（MOSI, MISO, SCLK, CE），常用于与 ADC 转换器、SD 卡读卡器和某些显示器等设备进行更快的通信。

• 引脚： 通常是 GPIO10 (MOSI), GPIO9 (MISO), GPIO11 (SCLK), GPIO8 (CE0), GPIO7 (CE1)。查看 pinout 命令。
• Python： 使用 spidev 库 (sudo apt install python3-spidev 或 pip install spidev)。

UART（串行端口）

一种两线协议（TX - 发送，RX - 接收），用于点对点串行通信，常用于连接 GPS 模块、其他微控制器或访问 Pi 的控制台。

• 引脚： 通常是 GPIO14 (TXD) 和 GPIO15 (RXD)。查看 pinout 命令。
• 配置： 通过 raspi-config 启用时，选择您是否希望通过串行端口访问登录 Shell（这将禁用其用于一般用途），或者仅为您的程序启用硬件串行端口。
• 设备： 主要硬件 UART 通常显示为 /dev/serial0（根据型号和配置，它通常链接到 /dev/ttyS0 或 /dev/ttyAMA0）。
• Python： 使用 pyserial 库 (sudo apt install python3-serial)。
• 测试： 使用 minicom (sudo apt install minicom) 来发送/接收数据，例如 minicom -b 9600 -o -D /dev/serial0（将 9600 替换为正确的波特率）。