10. 控制蜂鸣器(GPIO子系统)

本章讲解Linux GPIO子系统驱动相关应用层程序的控制原理。

本章的示例代码目录为:base_code/linux_app/beep。

10.1. GPIO子系统

GPIO是General Purpose I/O的缩写,即通用输入输出端口,简单来说就是MCU/CPU可控制的引脚,这些引脚通常有多种功能,最基本的是高低电平输入检测和输出,部分引脚还会与主控器的片上外设绑定,如作为串口、I2C、网络、电压检测的通讯引脚。

与LED子系统类似,Linux提供了GPIO子系统驱动框架,使用该驱动框架可以把CPU的GPIO引脚导出到用户空间,用户通过访问/sys文件系统进行控制,GPIO子系统支持把引脚用于基本的输入输出功能,其中输入功能还支持中断检测。在Linux内核源码的”Documentation/gpio”目录可找 到关于GPIO子系统的说明。

通过GPIO子系统可以控制LED、蜂鸣器以及按键检测这类硬件设备,不过由于本开发板出厂的默认镜像中,LED灯使用了LED子系统驱动控制,按键使用了input输入子系统驱动控制,不方便在用户空间使用GPIO的方式进行实验,而蜂鸣器在驱动层中我们是使用GPIO子系统的,本章选择蜂鸣器作为示例讲解。

在Mini开发板上没有蜂鸣器,实验时可使用电压表检测对应引脚的电平输出。

10.1.1. GPIO设备目录

GPIO驱动子系统导出到用户空间的目录是”/sys/class/gpio”。

可使用如下命令查看:

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#在主机或开发板的终端使用以下命令查看
ls -lh /sys/class/gpio

#以下命令不支持在Ubuntu主机上运行
#导出GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看目录的变化,增加了gpio19目录
ls /sys/class/gpio/
#把gpio19从用户空间中取消导出
echo 19 > /sys/class/gpio/unexport
#查看目录变化,gpio19目录消失了
ls /sys/class/gpio/

如下图:

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该目录下的主要内容说明如下:

  • export文件:导出GPIO,该文件只能写不能读,用户向该文件写 入GPIO的编号N可以向内核申请将该编号的GPIO导出到用户空间,若内核本 身没有把该GPIO用于其它功能,那么在/sys/class/gpio目录下会新增一 个对应编号的gpioN目录,如上图一导出了gpio19。
  • unexport文件:export的相反操作,取消导出GPIO,该文件同样只能 写不能读。上图演示了往unexport写入19后,gpio19目录消失了。
  • gpiochipX目录:该目录是指GPIO控制器外设,Ubuntu主机上默认没有这样的功能。
  • gpioN目录:通过export导出的具体GPIO引脚的控制目录,如上图中的gpio19目录下会包含有 控制该引脚的相应文件。

10.1.2. GPIO设备属性

gpioN目录下相关的设备文件,可以使用以下命令查看:

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#在开发板的终端使用以下命令
#导出编号为19的GPIO
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看gpio19目录下的内容
ls -lh /sys/class/gpio/gpio19

如下图:

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常用的属性文件介绍如下:

  • direction文件:表示GPIO引脚的方向,它的可取值如下:
  • in:引脚为输入模式。
  • out:引脚为输出模式,且默认输出电平为低。
  • low:引脚为输出模式,且默认输出电平为低。
  • high:引脚为输出模式,且默认输出电平为高。
  • value文件:表示GPIO的电平,1表示高电平,0表示低电平。GPIO被配置为输出 模式, 那么修改该文件的内容可以改变引脚的电平。
  • edge文件:用于配置GPIO的中断触发方式,当GPIO被配置为中断时,可以通过系统 的poll函数监听。edge文件可取如下的属性值:
  • none:没有使用中断模式。
  • rising:表示引脚为中断输入模式,上升沿触发。
  • falling:表示引脚为中断输入模式,下降沿触发。
  • both:表示引脚为中断输入模式,边沿触发。

与LED子系统不同,当某个引脚被用于具体的LED设备时,该引脚会被设备占用,它的 功能在用户空间是无法再被修改的,而使用GPIO子系统的设备则可以在用户空间灵活配置作为输入、输出或中断模式。

只要我们知道蜂鸣器的GPIO引脚编号,就可以就可以通过它导出的direction、value文件 控制引脚输出高低电平,从而控制它发声了。当然,如果硬件上临时把该引脚修改为按键 高低电平检测,此时也可以通过这些文件把引脚改为输入模式使用,而不需要修改Linux内核驱动。

10.2. 引脚编号转换

与LED驱动设备不一样,它们已经在内核驱动(设备树)绑定了具体引脚的端 口号,最终直接以设备名字导出到用户空间,所以控制时只要通过设备文件即可 控制,而不需要知道具体的硬件连接。使用GPIO子系统时,需要用户自主控制导出 使用哪个引脚,所以我们要根据蜂鸣器的硬件连接来进行实验。

Mini开发板不带蜂鸣器,实验时可以在引出的排针处找到该引脚,使用 电压表测量它的输出电压即可。

如下图:

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从上图可了解到,蜂鸣器的控制引脚名为”GPIO1_19”,该引脚输出高电平时,三极 管导通,蜂鸣器响,引脚输出低电平时,电路断开,蜂鸣器不响。

i.MX6ULL芯片GPIO引脚名格式通常为GPIOn_IOx,如此处的GPIO1_19或GPIO4_IO20等等,其 中n是端口号,x为该组端口的引脚号,本开发板采用的芯片有1~5组端口,每组端口包含的引脚从0~31不等。 本开发板中export文件使用的编号index与GPIO引脚名的转换关系如下:

index = GPIOn_IOx = (n-1)*32 + x

例如蜂鸣器使用的引脚编号为:index = GPIO1_19 = (1-1)*32 +19 = 19。

又例如GPIO4_IO20的编号为:index = GPIO4_IO20 = (4-1)*32+20=116。

要注意并不是所有的引脚都能通过export文件导出到用户空间的,例 如GPIO4_IO20引脚已经被用在了LED设备上。

10.3. 控制蜂鸣器(Shell)

下面使用命令行控制蜂鸣器,讲解GPIO子系统设备属性的应用。

由于在Ubuntu主机通常无法导出GPIO,请在开发板上执行以下命令测试,测试前需确保当前用户为root用户:

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#以下命令在开发板上执行
#导出蜂鸣器使用的GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#确认出现了gpio19设备目录
ls /sys/class/gpio/
#控制gpio19方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio19/direction
#控制gpio19输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio19/value
#控制gpio19输出低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio19/value

如下图:

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命令执行的原理非常简单:

  • 把蜂鸣器的编号写入到export文件,导出GPIO设备。
  • 修改蜂鸣器设备属性direction文件值为out,把GPIO设置为输出方向。
  • 修改蜂鸣器设备属性文件value的值为1或0,控制蜂鸣器响或不响。

10.4. 控制蜂鸣器(系统调用)

类似地,也可以通过系统调用的文件操作方式控制蜂鸣器。

工程中的beep_bsp.c文件包含了控制蜂鸣器相关的函数,见如下所示。

蜂鸣器驱动文件(base_code/linux_app/beep/c/sources/bsp_beep.c文件)
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#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include "includes/bsp_beep.h"

int beep_init(void)
{
   int fd;
   //index config
   fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1 ;

   write(fd, BEEP_GPIO_INDEX, strlen(BEEP_GPIO_INDEX));
   close(fd);

   //direction config
   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/direction", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 2;

   write(fd, "out", strlen("out"));
   close(fd);

   return 0;
}

int beep_deinit(void)
{
   int fd;
   fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, BEEP_GPIO_INDEX, strlen(BEEP_GPIO_INDEX));
   close(fd);

   return 0;
}

int beep_on(void)
{
   int fd;

   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/value", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, "1", 1);
   close(fd);

   return 0;
}

int beep_off(void)
{
   int fd;

   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/value", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, "0", 1);
   close(fd);

   return 0;
}

该代码说明如下:

  • beep_init函数:它使用了open、write、close等函数修改export和gpioN/direction文件,初始 化蜂鸣器使用的引脚为输出模式。
  • beep_deinit函数:向unexport文件写入编号,取消导出。
  • beep_on和beep_off函数:往gpioN/value文件写入1和0,控制引脚输出高低电平。

本代码要特别注意的是export和unexport文件是只有写权限的,所以通过open打开时要 使用”O_WRONLY”标志以写入方式打开,不能使用”O_RDWR”等带读模式的标志。

10.4.1. 主文件

编写完 蜂鸣器的控制函数后,就可以在 main 函数中测试了,如下所示。

主函数(base_code/linux_app/beep/c/sources/main.c文件)
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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "includes/bsp_beep.h"

/**
   * @brief  主函数
   * @param  无
   * @retval 无
   */
int main(int argc, char *argv[])
{
   char buf[10];
   int res;
   printf("This is the beep demo\n");

   res = beep_init();
   if(res){
      printf("beep init error,code = %d",res);
      return 0;
   }

   while(1){
      printf("Please input the value : 0--off 1--on q--exit\n");
      scanf("%10s", buf);

      switch (buf[0]){
         case '0':
            beep_off();
            break;

         case '1':
            beep_on();
            break;

         case 'q':
            beep_deinit();
            printf("Exit\n");
            return 0;

         default:
            break;
      }
   }
}

在 main 函数中,调用我们前面定义的beep_init初始化蜂鸣器使用的GPIO,然后使用scanf检测用 户输入,根据用户输入调用对应的函数控制蜂鸣器。

10.4.2. 编译及测试

本实验使用的Makefile相对于前面的章节仅修改了最终的可执行文件名为beep_demo。

本实验不支持在Ubuntu主机上进行。

对于ARM架构的程序,可使用如下步骤进行编译:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/beep_demo,使用网络文件系统共 享至开发板,在开发板的终端上运行该程序测试即可。

如下图:

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程序执行后会提示输入,在终端输入1并回车后蜂鸣器会响,输入0并回车后蜂鸣器不响。