【.NET 与树莓派】使用 GPIO 库

上回老周在说准备工作的时候，提到过树莓派用金属盒散热的事情。有朋友会说，加了金属盒子接线不方便，就算用了“T”形板，毕竟是把导线延长了的。其实扩展板就是把原有的引脚引出（类似于延长），有的引出后使用并联电路来“复制”出几套接口。所以你买一块插孔多的面包板，自己也可以并联出许多扩展接口来，何况树莓派好一点的扩展板也比较贵。

如果你不运行桌面，不看岛国片，只是执行命令和运行代码，完全不用散热措施。老周直接用裸板试验过，只是运行程序的话，温度平均在 40 度上下，受室温影响不是很大，夏天的时候会高2度。这个温度问题不大，挂不了。70 度以上才要考虑散热。

最简单的散热方案是贴散热片，不过你不要贴歪了，想撕下来再贴一次好像不那么容易，弄不好可能会把芯片扯坏。曾经还听说有人把处理器扯下来的，不知道是真是假。另外，加个小风扇的方式应该挺好，有点噪音也没关系的（不要像轰炸机就行）。

好，现在说正题。我们知道，树莓派有许多 GPIO 引脚，通用方式是发出，或者接收电平信号。信号就是两种——高电平 or 低电平。我们可以简单地认为，高电平是 3.3 V 电压，低电平是 0V 电压，更深层的电路原理你可以不理会，不影响你编程。

为什么是高电平和低电平两个信号呢？嗯，问得真TM地好。你想一下啊，计算机只认识两个数字，哪两个呢？0 和 1，你给计算机下命令时，其实只要 0 和 1 组合就行。1 开灯，0 关灯；1 向左转，0 向右转；0 翻墙，1 撞墙；0 引爆火药，1 引爆自己……

哟西，这么一来，两个电平就可以对应两个二进制数字：高电平—— 1，低电平—— 0，完事。

有了两个明确的值，还需要明确方向。树莓派自身把电平拉高或者拉低，以此来告诉连接的电子模块要干什么活，这是发送信号；当一个触摸开关被你的娇美的小手触碰后，模块把电平拉高（高电平状态），告诉树莓派有人按了按钮，这时候树莓派的接口就是接收状态，然后树莓派可以控制另一个设备去做其他事情（比如，冲马桶）。

由于树莓派带有 Linux 操作系统，所以，GPIO 接口的操作方法很多，可以直接调用相关的 lib，也可以用一些封装好的库。不过，系统集成了一种简单的操作方法，类似于文件的方式，你只需要读写对应的路径就能控制 IO 接口。

启动系统后，你可以进入以下目录：

cd /sys/class/gpio

然后执行 ls 命令，你会看到目录下有两个文件：

1、export：向这个文件写入 GPIO 口的编号，就可以打开相关接口；

2、unexport：向这个文件写入 GPIO 口的编号，关闭对应的接口。

你如果看到这两个文件，就可以试验一下了。不过在试之前，你还要做这件事：

sudo raspi-config

sudo 是为了防止权限不够，raspi-config，是树莓派系统专用的配置程序，在命令模式下也是图形化操作的。

选第3项，接口选项，回车。

用上下箭头键移到最下面的 P8，回车。

用 Tab 键选中 Yes，默认会选中，然后回车确认，收工。按 Esc 可以退出配置程序（或者选 Finish）。

Remote GPIO 选项必须打开的，不然你连接的电子模块是没有反应的。

接下来，老周用这个激光模块来做演示。

这个模块上面有一个激光头，跟我们小时候在路边买的装钮扣电池的差不多，发出的激光比小时候买的玩具还差。那这个模块有什么鸟用。其实这个模块真没什么鸟用，不过用来学习演示挺不错，现实用途可以拿来逗猫，不过注意不要让猫碰到单片机。

这个模块有三个引脚，PCB板上只标注了两侧的引脚。

为了提升拍照效果，我在下面垫了一张厕纸。最左边的引脚旁标注了“-”，意思是接电源负极，即接树莓派上的 GND 引脚。树莓派有八个 GND 引脚，你可以随便接；最右边的引脚标注了“S”，表示这是信号脚，接树莓派的 GPIO 脚，这个有很多了，当然了，最好选默认没有分配功能的 GPIO 接口。比如下图中画了蓝线的。

左右两边的引脚都知道用处了，所以，中间那个引脚就是接电源正极的，可以接树莓派的 5V，上面的图上你也看到了，树莓派两个 5V 脚都放在了一起（第2、4脚）。

下面开始接线，由于树莓派没有在板子印有引脚符号（无丝印），所以在接线时要小心，不要接错。

信号线老周选用了 GPIO 17，在树莓派上是 11 号引脚，也就是左边一排，往下顺数第六个脚。

接好线之后，我们回到终端，还记得前面提到的那两个文件吗？先用 cd 命令定位到 /sys/class/gpio 目录，然后向 export 文件输入文本“17”。

cd /sys/class/gpio
echo 17 > export

然后用 ls 列出一下 gpio 下的子项，你是不是发现多了个子目录？叫 gpio17。

这说明 GPIO 的第17口已经准备就绪，可以通信了。

注意一下，这里的 GPIO 编号不是树莓派板子上的顺序，而是BCM编号，刚刚接线时接的是左排的第六脚，可以上 pinout.xyz 查看，这个脚的编号是17。

然后，cd gpio17，进入这个目录，看看里面有什么。

这里面有两个文件我们需要用到的。

1、direction：配置 GPIO 口的通信方向。向其中写入“in”为输入，写入“out”为输出。

2、value：GPIO 口输出的值，0 为低电平，1 为高电平。

激光头模块是收到高电平时发射激光的，所以这里要把通信方向设为 out。

 echo out > direction

向 value 写入“1”，输出高电平，发射激光，开始逗猫。

echo 1 > value

逗久了猫也觉得不好玩了，你手也累了，这时向 value 写入“0”，输出低电平，关闭激光发射。

 echo 0 > value

最后，向 /sys/class/gpio/unexport 写入GPIO口编号 17，就可以关闭这个接口了。这时候，gpio17 子目录就不见了。

有了上面的试验，我们可以开始使用微软封装的 GPIO 库了。

这个 Nuget 库叫 System.Device.Gpio，它已经封装好了GPIO操作常用的类型。

1、对于Windows平台，用的是 UWP 的库；

2、对于类 Unix 平台，封装了以下几种版本：

　　1） LibGpio；

　　2）SysFsDriver，这个就是上面举例用的方式，以文件方式操作 /sys/class/gpio 路径下的文件。

　　3）Raspberry Pi 专版。

另外，还有 HummingBoard 版本。

我们在使用时，其实并不需要去思考使用哪个平台的类型，在实例化 GpioController 类的时候，会自动选用合适的类型。

使用以下命令，在.NET项目中添加 System.Device.gpio 库的引用。

dotnet add package system.device.gpio

在VS2019 中，你也可以用非常熟悉的 Nuget 包管理器来添加，操作方法省略，老周相信你会用的了。

在代码中引入 System.Device.Gpio 命名空间，然后就可以欢畅地撸代码了。

using System;
using static System.Threading.Thread;
using static System.Console;
using System.Device.Gpio;

namespace testA
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int pin = 17;
            GpioController gpio = new GpioController();
            // 打开接口
            gpio.OpenPin(pin);
            // 设置通信方向
            gpio.SetPinMode(pin, PinMode.Output);
            gpio.Write(pin, PinValue.Low); //先置低电平
            // 也可以这样写
            //gpio.Write(pin, 0);

            // 发送信号
            int x = 20;
            while (x-- > 0)
            {
                WriteLine("打开激光头");
                gpio.Write(pin, 1);
                Sleep(1000);
                WriteLine("关闭激光头");
                gpio.Write(pin, 0);
                Sleep(1000);
            }

            // 关闭接口
            gpio.ClosePin(pin);
            gpio.Dispose();
            // 退出
            WriteLine("3166");
        }
    }
}

变量 pin 的值是17，前面接线的时候接的是 GPIO 17 引脚。

下一步就是发布代码，发布到本地目录就行。

dotnet publish -r linux-arm -c release --no-self-contained

-r linux-arm，就是指定目标的运行时为 arm （32）的 Linux 系统。

-c 指定生成方案，有 Debug 和 Release，这个老周就不多解释了，.NET 程序习惯模式。

--no-self-contained 表示不包含运行时库，因为老周已在树莓派的系统上装了 dotnet 运行时；如果你不想在上面安装运行时，可以去掉 --on-self-contained 选项，这样默认会包含运行时库。上传到树莓派上面，执行 chmod u+x xxxx 提升权限，然后就可以直接运行了。

要在树莓派上安装.NET 运行时也很简单。

1、执行 cd /tmp 转到临时目录。

2、下载时可以选择 .NET runtime，或 ASP.NET Core Runtime。后者包含运行Web应用的库。使用 wget 下载压缩包（选择 arm32 的 Linux 包）。

wget https://download.visualstudio.microsoft.com/download/pr/7aa18d1a-1c9a-4571-9668-3d76b5cda367/41a75d18282fa815c548be4dbc9dd55f/aspnetcore-runtime-5.0.2-linux-arm.tar.gz

3、在 /usr/local 目录下创建一个目录，叫 dotnet。

sudo mkdir /usr/local/dotnet

这个地方要加上 sudo ，不然权限不够。/usr/local 这个目录很适合，它就是让我们安装自己需要的第三方软件用的。

4、解压刚刚下载的压缩包，放到 /usr/local/dotnet 目录下面。

sudo tar -zxf aspnetcore-runtime-5.0.2-linux-arm.tar.gz -C /usr/local/dotnet

-z 参数表示使用 gz 算法，-x 表示解压，-f 表示要解压的文件，三个参数合起来就是 -zxf。注意 -C 参数是大写的，表示工作目录，也就是你要解压到哪个目录，此处解压到 /usr/local/dotnet 目录下。

5、在 /etc/profile 文件中加入以下内容。

# /etc/profile: system-wide .profile file for the Bourne shell (sh(1))
# and Bourne compatible shells (bash(1), ksh(1), ash(1), ...).

if [ "`id -u`" -eq 0 ]; then
  PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"
else
  PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/local/games:/usr/games"
fi

# .NET 的运行路径
if [ -d /usr/local/dotnet ]; then
  PATH=$PATH:/usr/local/dotnet
fi

export PATH
……

位置是在 PATH 环境变量导出之前，将 dotnet 运行时的路径追加上去。即在 export 命令之前。保存并退出就OK了。

设置 PATH 变量放在 /etc/profile 中比放在 bash 的资源文件中好一些。放在bash资源中需要你登录终端时才执行，而且只在当前会话期间可用。放在 /etc/profile 中就成了“全局”了，只要顺利登入系统都有效。

在任意路径下执行 dotnet --info，如果有以下输出，那就成功了。

好了，现在可以把我们已经发布的程序上传到树莓派了。Win 10 自带 scp 命令，不需要安装传输工具。

在树莓派上 cd 到 pi 用户目录下（如果你改了用户名，可能是其他名字，可以用“~”代替）。

 cd ~

创建一个新目录，叫 app

mkdir app

回到 Windows  上，打开命令提示符窗口，cd 到程序发布的目录。

cd C:\Users\<用户名>\...\testA\bin\release\net5.0\linux-arm\publish

执行 scp 命令上传文件。

scp ** pi@192.168.200.15:/home/pi/app

其中，**（用一个星号也可以，通配符）表示把发布目录下的所有文件上传到树莓派；冒号后面是树莓派上的路径，把文件放到前面创建的 app 目录下面，注意要用绝对路径，不能用“~”。

用终端登入树莓派，cd 到app下，能看到刚上传的文件。

无比紧张的时刻来临，执行我们写好的程序。

dotnet testA.dll

如果没有出其他问题的话，你会看到激光头一开一关（其间暂停1秒）。

示例的源代码可以点这里下载：拼命点这里

这个 System.device.gpio 库还封装了 i2c、SPI 等常见的硬件通信方式，后续文章中老周还会介绍。