Java 學習之路
Java Embedded （8）Raspberry Pi GPIO 的基礎應用與實作（下）
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Java Embedded （7）Raspberry Pi GPIO 的基礎應用與實作（上） << 前情 8-1 認識開關零件前一章已經討論GPIO的基本概念，還有輸出的基本應用與實作。GPIO還可以連接很多可以其它的零件與設備，例如開關或是各種感應器。以行動電話來說，它有可以讓你控制音量與電源的開關，通常也有偵測環境光源亮度與接近的感應器，行動電話根據這些設備與零件的資訊執行相關的動作，例如調整音量的大小，還有根據環境光源的亮度自動調整螢幕的亮度。 Raspberry Pi的GPIO可以像之前討論的作法，把指定的針腳設定為輸出的用途，用來點亮LED或控制其它設備。也可以把指定的針腳設定為輸入的用途，用來讀取開關的狀態，或是感應器回傳的資訊。這一章的內容討論GPIO在輸入方面的基本應用。你要準備這些零件：
這些零件會用在接下來幾個不同階段的練習，剛開始的時候不會用到全部的零件，最後的練習會連接好所有的零件，搭配寫好的應用程式，執行比較複雜一些的工作。 在開始討論之前，可以先認識開關這種零件，生活中的各種裝置都很容易看到它，雖然樣子有很大的差異，不過一個最基本的開關零件會像這樣：
開關零件當然會有一個可以讓使用者按下與放開的開關，最簡單的開關零件，它的下方會有兩個針腳，按下開關的時候，這兩個針腳會是相通的狀態，放開開關的時候，兩個針腳就不會相通。開關零件有很多種規格，有四個或六個針腳的，不過功用是一樣的，建議購買兩個針腳的開關零件會比較簡單一些。有些比較大形的開關是用來連接電線的，選擇可以直接插在麵包板上的針腳會比較方便。 你可以先瞭解下面這個線路圖，為了讓線路圖看起來比較清楚一些，所以開關沒有插在麵包板上。連接好這個線路與零件以後，按下開關的時候可以點亮LED，放開開關就會關閉LED：
瞭解開關零件的基本作用以後，後續的討論內容會使用這樣的圖形說明開關零件的連接方式，開關上的小圓圈表示針腳插在麵包板的位置，完成後的功能跟上面線路圖是一樣的：
另外有一種常見的開關零件是「Tactile push siwtch」，通常稱為輕觸開關或微動開關，下列這個說明的圖形，為了方便說明針腳的功能，所以為它們編製1到4的號碼。1、3和2、4永遠保持連接的狀態，在沒有按下開關的時候，1和2號針腳，還有3和4號針腳都沒有連接：
按下開關的時候，1和2號針腳，還有3和4號針腳就會連接。依照下面圖型的說明，其實所有針腳都會連接。如果是一般的應用，使用1、2或3、4號針腳就可以了：
你可以選擇兩個或四個針腳的開關零件，依照上面的說明連接正確的針腳就可以了。 8-2 使用GPIO讀取輸入資訊Raspberry Pi的GPIO針腳都可以設定為輸入或輸出，之前用來控制LED的作法是輸出的應用。接下來把GPIO針腳設定為輸入，用來讀取開關的狀態。設定為輸入的針腳，可以偵測是否有3.3v的電壓，或是沒有電壓的狀態。 8-2-1 GPIO輸入針腳的連接方式連接到GPIO輸入針腳的線路連接方式，分為「Pull Down Resistor」與「Pull Up Resistor」兩種。雖然後面的應用都是以Pull Down Resistor為主，不過還是完整的認識它們的作法，就可以應付以後各種不一樣的應用。以使用GPIO讀取開關訊號的應用來說，下面的圖形採用Pull Down Resistor連接方式。開關的兩個針腳連接GPIO的3.3V與接地，並且在接地連接可以保護Raspberry Pi的10K Ohm電阻。再從接地的線路連接到針腳編號12號，並連接1K Ohm電阻。在沒有按下開關的時候，針腳編號12號（GPIO_01）接收到「低電壓」的訊號：
按下開關以後，針腳編號12號（GPIO_01）接收到「高電壓」的訊號：
下面的圖形採用Pull Up Resistor連接方式，開關的兩個針腳連接GPIO的3.3V與接地，在3.3V連接可以保護Raspberry Pi的10K Ohm電阻。從3.3V的線路連接到針腳編號12號，並連接1K Ohm電阻。在沒有按下開關的時候，針腳編號12號（GPIO_01）接收到「高電壓」的訊號：
按下開關以後，針腳編號12號（GPIO_01）接收到「低電壓」的訊號：
8-2-2 實作讀取開關的應用程式瞭解GPIO輸入的連接線路方式以後，依照下面的線路圖連接好開關零件，從Raspberyy Pi連接的3.3V電源，在按下按紐的時候會傳送到GPIO_01針腳：
接下來寫一個簡單的應用程式，程式執行以後，使用者按下開關的時候，會一秒鐘顯示一次「Hello!」訊息，直到放開才會停止： package mygpio02;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalInput;
import com.pi4j.io.gpio.PinPullResistance;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
public class MyGPIO02 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("MyGPIO02 start...");
// 建立GPIO控制物件
final GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
// 建立控制GPIO_01輸入的物件
// 第二個參數必須依照線路的連接方式，選擇
// 「PinPullResistance.PULL_DOWN」或
// 「PinPullResistance.PULL_UP」
final GpioPinDigitalInput pin01 =
gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_01,
PinPullResistance.PULL_DOWN);
int count = 0;
while (true) {
// 如果GPIO_01接收到3.3V的電壓
if (pin01.isHigh()) {
System.out.println("Hello! " + ++count);
}
delay(500);
}
}
private static void delay(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
}
執行這個程式以後，試試看按下與放開開關，不過這個程式並不會停止，如果在連線到Raspberry Pi的視窗執行，可以使用鍵盤按下「Ctrl + C」停止程式；如果在NetBeans使用遠端執行的方式，可以選擇停止開關：
這是執行應用程式以後顯示的訊息，訊息顯示的次數可能會不一樣： MyGPIO02 start... Hello! 1 Hello! 2 Hello! 3 Hello! 4 Hello! 5 Hello! 6 BUILD STOPPED (total time: 34 seconds) 8-2-3 比較不好的連接方式在需要連接開關的時候，你可能會在網路的資源或書籍，看到這種比較簡單的Pull Down Resister連接方式，把3.3V連接到開關的針腳後，再把GPIO輸入針腳連接到開關的另一個針腳，按下開關的時後讓3.3V傳送到指定的輸入針腳：
你可以把線路改為上面線路圖的連接方式後，執行之前採用Pull Down Resister作法的應用程式（GPIODemo06），同樣可以正常運作。一般的Raspberry Pi使用者，經常使用這種比較簡化的連接方式，在長時間運作或連接的零件與設備比較多的時候，系統的穩定性就會比較差。在應用程式的測試階段，可以稍微偷懶一些，不過在製作正式的產品時，就不要採用這種簡化的作法。 為了不讓線路圖太複雜，後面的說明會採用這種比較偷懶的方式，建議你依照正式的作法連接線路。 8-4 讀取兩個開關零件接下來再加入一個連接到GPIO_02的按鈕零件，這個按鈕用來結束應用程式，改良上一個程式的寫法，按下開關的時候離開無窮迴圈。參考下面的線路圖，連接好所有的零件：
這個按鈕零件可以用來結束應用程式，建立一個新的應用程式，大部份是剛才討論的程式碼，加入判斷第二個按鈕是否按下，如果按下按鈕就會結束應用程式： package mygpio03;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalInput;
import com.pi4j.io.gpio.PinPullResistance;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
public class MyGPIO03 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("MyGPIO03 start...");
// 建立GPIO控制物件
final GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
// 建立控制GPIO_01輸入的物件
final GpioPinDigitalInput pin01 =
gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_01,
PinPullResistance.PULL_DOWN);
// 建立控制GPIO_02輸入的物件
final GpioPinDigitalInput pin02 =
gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_02,
PinPullResistance.PULL_DOWN);
int count = 0;
while (true) {
// 如果GPIO_02接收到3.3V的電壓
if (pin02.isHigh()) {
break;
}
// 如果GPIO_01接收到3.3V的電壓
if (pin01.isHigh()) {
System.out.println("Hello! " + ++count);
}
delay(500);
}
System.out.println("MyGPIO03 bye...");
}
private static void delay(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
}
執行這個程式，試試按下與放開連接到GPIO01的按鈕，最後按下連接到GPIO02的按鈕，就可以結束應用程式。這是執行應用程式以後顯示的訊息，Hello訊息的次數可能會不一樣： MyGPIO03 start... Hello! 1 Hello! 2 Hello! 3 Hello! 4 Hello! 5 MyGPIO03 bye... 8-5 監聽GPIO輸入事件如果你已經熟悉Java程式設計，剛才用來監控開關的程式寫法，其實會耗用很多資源。在設計圖形使用者介面應用程式的時候，需要在使用者選擇開關或其它元件時執行一些特定的工作，都會採用註冊監聽（listener）物件的作法，Pi4J在GPIO輸入的應用也提供監聽的功能，你可以為指定的GPIO針腳註冊一個「GpioPinListenerDigital」監聽物件，針腳的狀態改變時，就可以自動執行指定的工作。 接下來的範例不需要修改線路圖，不過應用程式的部份，使用兩個監聽類別監控GPIO01與GPIO02的狀態，修改後的程式碼在執行以後，顯示Hello訊息的部份會不太一樣，按下開關一次會顯示一次訊息，因為監聽類別只能偵測到狀態改變的事件。這是把改為使用GPIO監聽類別作法的程式碼： package mygpio04;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPin;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalInput;
import com.pi4j.io.gpio.PinPullResistance;
import com.pi4j.io.gpio.PinState;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
import com.pi4j.io.gpio.event.GpioPinDigitalStateChangeEvent;
import com.pi4j.io.gpio.event.GpioPinListenerDigital;
public class MyGPIO04 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("MyGPIO04 start...");
// 建立GPIO控制物件
final GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
// 建立控制GPIO_01輸入的物件
final GpioPinDigitalInput pin01 =
gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_01,
PinPullResistance.PULL_DOWN);
// 建立控制GPIO_02輸入的物件
final GpioPinDigitalInput pin02 =
gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_02,
PinPullResistance.PULL_DOWN);
// 宣告與建立GPIO_01使用的監聽物件
GpioPinListenerDigital pin01Listener = new GpioPinListenerDigital() {
private int count = 0;
@Override
public void handleGpioPinDigitalStateChangeEvent(
GpioPinDigitalStateChangeEvent event) {
// 如果GPIO_01接收到3.3V的電壓
if (event.getState().isHigh()) {
System.out.println("Hello! " + ++count);
}
}
};
// 註冊GPIO_01的監聽物件
pin01.addListener(pin01Listener);
// 宣告與建立GPIO_02使用的監聽物件
GpioPinListenerDigital pin02Listener = new GpioPinListenerDigital() {
@Override
public void handleGpioPinDigitalStateChangeEvent(
GpioPinDigitalStateChangeEvent event) {
// 讀取發生事件的GPIO針腳與狀態
GpioPin pin = event.getPin();
PinState state = event.getState();
System.out.println("handleGpioPinDigitalStateChangeEvent: ");
System.out.println("\t" + pin.getName());
System.out.println("\t" + state.getName());
// 如果GPIO_02接收到3.3V的電壓
if (state.isHigh()) {
gpio.shutdown();
System.out.println("MyGPIO04 bye...");
System.exit(0);
}
}
};
// 註冊GPIO_02的監聽物件
pin02.addListener(pin02Listener);
// 記得要加入這個迴圈，不然程式執行以後就結束了
while (true) {
delay(500);
}
}
private static void delay(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
}
執行這個程式，試試按下與放開連接到GPIO01的開關，最後按下連接到GPIO02的開關，同樣可以結束應用程式。這是執行應用程式以後顯示的訊息，Hello訊息的次數可能會不一樣： MyGPIO04 start...
Hello! 1
Hello! 2
Hello! 3
Hello! 4
Hello! 5
Hello! 6
handleGpioPinDigitalStateChangeEvent:
GPIO 2
HIGH
MyGPIO04 bye...
課程相關的檔案都可以GitHub瀏覽與下載。 |
http://github.com/macdidi5/JavaEmbedded相關文章
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