Raspberry Pi GPIO Skill

如果需要了解有关 GPIO 硬件的信息, 请参阅 GPIO 硬件.

使用 gpiozero 库可以轻松地用 Python 控制 GPIO 设备.
gpiozero 是其他 GPIO 库（RPi.GPIO, pigpio, lgpio）的封装。它提供了一个通用的 API，这样就可以使用任何适合的后端库，而无需更改代码。

随着树莓派硬件(特别是 Raspberry Pi 5)的架构演变, lgpio 正在逐渐取代 RPi.GPIO 成为新的标准.
自 Release 2.0 (2023-09-12) 起, lgpio 是 gpiozero 的默认后端.

RPi.GPIO 是树莓派早期的经典 GPIO 库, 直接通过访问硬件寄存器（/dev/mem）来控制引脚.
而 lgpio 是基于现代 Linux 内核的 gpiochip 接口开发的库, 不依赖特定的硬件地址.

首次使用前检查

gpiozero

gpiozero 在树莓派操作系统中已经默认安装.
如果发现没有安装, 则执行下列命令进行安装:

sudo apt update
sudo apt install python3-gpiozero

rpi-lgpio

rpi-lgpio 在莓派操作系统中已经默认安装.
如果发现没有安装, 则需要检查 RPi.GPIO 是否已经安装了。 因为不能在同一 Python 环境中同时安装 rpi-lgpio 和 rpi-gpio, 因为这两个包都试图安装一个名为 RPi.GPIO 的模块

如果硬件是 Raspberry Pi 5 之前的系列, 可以直接使用 RPi.GPIO.
否则需要先卸载 RPi.GPIO:

sudo apt remove python3-rpi.gpio

再执行下列命令进行安装 rpi-lgpio:

sudo apt update
sudo apt install python3-rpi-lgpio

RPi.GPIO

如果硬件是 Raspberry Pi 5 或之后的系列, 则 RPi.GPIO 已经不能使用, 必须需要安装 rpi-lgpio

RPi.GPIO 在旧版的莓派操作系统中已经默认安装.

如果发现没有安装, 因为 RPi.GPIO 已经不推荐使用，如果 Linux 内核支持 gpiochip, 则直接安装 rpi-lgpio.
否则执行下列命令进行安装 RPi.GPIO:

sudo apt update
sudo apt install python3-rpi.gpio

使用 gpiozero

gpiozero 是一个用于树莓派 GPIO 设备的简单接口.
该库包含了许多简单日常组件的接口，还有一些更复杂的东西，比如传感器、模数转换器、全彩 LED、机器人套件等等.

GPIO输入 - 读取按钮

from gpiozero import Button
from time import sleep

button = Button(17, pull_up=True)

while True:
    if button.is_pressed:
        print("按钮被按下！")
    sleep(0.1)

GPIO输出 - 控制LED

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(18)

# LED闪烁
try:
    while True:
        led.on()
        sleep(0.5)
        led.off()
        sleep(0.5)
except KeyboardInterrupt:
    pass

事件处理 - 按钮回调

from gpiozero import Button, LED
from signal import pause

button = Button(17)
led = LED(18)

# 按下开灯，松开关灯
button.when_pressed = led.on
button.when_released = led.off

pause()  # 保持程序运行，等待事件

PWM控制

from gpiozero import PWMLED, Servo
from time import sleep

# LED亮度渐变
led = PWMLED(18)
for b in range(0, 101, 5):
    led.value = b / 100
    sleep(0.1)

# 舵机控制
servo = Servo(18)
servo.value = -1   # 0度
sleep(0.5)
servo.value = 0    # 90度
sleep(0.5)
servo.value = 1    # 180度
servo.detach()  # 停止脉冲

使用 lgpio

lgpio 是树莓派的现代GPIO库, 使用 /dev/gpiochip Linux标准接口, 是gpiozero的默认后端.
仅当遇到 gpiozero 实现不了的复杂需求时, 才能使用它.

GPIO基础操作

import lgpio

# 打开 gpiochip0
h = lgpio.gpiochip_open(0)

# 配置GPIO12为输出
lgpio.gpio_claim_output(h, 12)
lgpio.gpio_write(h, 12, 1)  # 高电平
lgpio.gpio_write(h, 12, 0)  # 低电平

# 配置GPIO17为输入（带内部上拉）
lgpio.gpio_claim_input(h, 17, lgpio.SET_PULL_UP)
value = lgpio.gpio_read(h, 17)

# 释放资源
lgpio.gpio_free(h, 12)
lgpio.gpiochip_close(h)

PWM控制

import lgpio

h = lgpio.gpiochip_open(0)

# 在GPIO12上启动PWM: 50Hz, 7.5%占空比
lgpio.tx_pwm(h, 12, 50, 7.5)

# 停止PWM
lgpio.tx_pwm(h, 12, 0, 0)

lgpio.gpiochip_close(h)

舵机控制

import lgpio
import time

h = lgpio.gpiochip_open(0)

# 脉宽对应角度: 500us=0°, 1500us=90°, 2500us=180°
lgpio.tx_servo(h, 12, 1500)   # 90度
time.sleep(1)
lgpio.tx_servo(h, 12, 500)    # 0度
time.sleep(1)
lgpio.tx_servo(h, 12, 2500)   # 180度

# 停止发送脉冲
lgpio.tx_servo(h, 12, 0)
lgpio.gpiochip_close(h)

⚠️ 注意: tx_servo 使用软件定时，会有轻微抖动，仅适合测试。长期使用建议配置硬件PWM。

中断/回调

import lgpio

def callback(chip, gpio, level, timestamp):
    """
    中断回调函数
    level: 0=低电平, 1=高电平, 2=边沿变化
    """
    print(f"GPIO {gpio} 状态变为 {level}")

h = lgpio.gpiochip_open(0)

# 配置GPIO17为输入
lgpio.gpio_claim_input(h, 17, lgpio.SET_PULL_UP)

# 添加边沿检测回调
# BOTH_EDGES: 双边沿触发
# RISING_EDGE: 上升沿触发
# FALLING_EDGE: 下降沿触发
cb = lgpio.callback(h, 17, lgpio.BOTH_EDGES, callback)

# 程序运行中...
# 停止回调: cb.cancel()

lgpio.gpiochip_close(h)