19、树莓派硬件交互与代码调试全解析

h0i1j2k3l

于 2025-11-03 14:06:15 发布

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分类专栏：树莓派玩转Python 文章标签：树莓派 GPIO SPI

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树莓派硬件交互与代码调试全解析

树莓派硬件交互基础

在树莓派的使用中，我们常常需要与各种硬件进行交互。下面是一个简单的反应时间测试代码示例：

import RPi.GPIO as GPIO 
import time 
import random 
from datetime import datetime 
GPIO.setmode(GPIO.BCM) 
GPIO.setup(22, GPIO.OUT) 
GPIO.setup(4, GPIO.IN) 
GPIO.output(22, False) 
random.seed() 
while True: 
    time.sleep(random.random()*10) 
    start = datetime.now() 
    GPIO.output(22, True) 
    while not GPIO.input(4): 
        pass 
    print("Your reaction time: ", 
          (datetime.now() - start).total_seconds()) 
    print("Get ready to try again.")
    GPIO.output(22, False)

这段代码通过控制 GPIO 引脚，实现了一个简单的反应时间测试。程序会随机等待一段时间后，将引脚 22 置为高电平，当引脚 4 检测到信号时，记录时间并计算反应时间。

扩展 GPIO 选项

除了基本的 GPIO 控制，我们还可以通过一些通信协议来扩展树莓派的功能，主要有 SPI、I2C 和 Serial 三种协议。

SPI 通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface）使用四根线在主设备（通常是树莓派）和从设备（通常是芯片）之间提供双向通信通道。这四根线分别是时钟线（Clock）、主出从入线（MOSI）、主入从出线（MISO）和从设备选择线（SS）。
树莓派的输入输出都是数字信号，只能读取开或关的状态。但在某些情况下，我们需要读取模拟信号，比如光传感器或温度传感器的数据。这时就需要一个模数转换器（ADC），这里我们使用 MCP3008 芯片，它提供了八个模拟通道，并通过 SPI 与树莓派通信。
以下是使用 MCP3008 读取模拟信号的代码：

import time 
import RPi.GPIO as GPIO 
GPIO.setmode(GPIO.BCM) 
# read SPI data from MCP3008 chip, 8 possible adc's (0 thru 7) 
def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin): 
    if ((adcnum > 7) or (adcnum < 0)): 
        return -1 
    GPIO.output(cspin, True) 
    GPIO.output(clockpin, False)  # start clock low 
    GPIO.output(cspin, False)     # bring CS low 
    commandout = adcnum 
    commandout |= 0x18  # start bit + single-ended bit 
    commandout <<= 3    # we only need to send 5 bits here 
    for i in range(5): 
        if (commandout & 0x80): 
            GPIO.output(mosipin, True) 
        else: 
            GPIO.output(mosipin, False) 
        commandout <<= 1 
        GPIO.output(clockpin, True) 
        GPIO.output(clockpin, False) 
    adcout = 0 
    # read in one empty bit, one null bit and 10 ADC bits 
    for i in range(12): 
        GPIO.output(clockpin, True) 
        GPIO.output(clockpin, False) 
        adcout <<= 1 
        if (GPIO.input(misopin)): 
            adcout |= 0x1 
    GPIO.output(cspin, True) 
    adcout >>= 1       # first bit is 'null' so drop it 
    return adcout 
SPICLK = 4 
SPIMISO = 17 
SPIMOSI = 18 
SPICS = 23 
# set up the SPI interface pins 
GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT) 
GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN) 
GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT) 
GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT) 
ldr_adc = 0; 
last_read = 0       
tolerance = 5       
while True: 
    # we'll assume that the light didn't change 
    input_changed = False 
    # read the analog pin 
    ldr_value = readadc(ldr_adc, SPICLK, 
                        SPIMOSI, SPIMISO, SPICS) 
    ldr_movement = abs(ldr_value - last_read) 
    if ( ldr_movement > tolerance ): 
        input_changed = True 
    if ( input_changed ): 
        print('Light = ', int(ldr_value)) 
        last_read = ldr_value 
    # hang out and do nothing for a half second 
    time.sleep(0.5)

这个代码通过 readadc 函数从 MCP3008 芯片读取模拟信号，并将其转换为数字信号。主循环会不断读取信号，并在信号变化超过阈值时打印出光强值。

I2C 通信协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种比 SPI 更强大的协议。它同样使用四根线，但其中一根是电源线，另一根是地线，所以实际上只有两根数据线。I2C 总线最多可以连接 127 个设备，并且具有寻址功能。
Quick2wire 制作了一系列 I2C 扩展板，可以扩展树莓派的功能。同时，他们还提供了一个 Python 模块，用于通过 I2C 进行通信，你可以在 https://github.com/quick2wire/quick2wire-python-api 找到该模块。

Serial 通信协议

SPI 和 I2C 通常用于在设备之间传输二进制数据，而 Serial 通信则主要用于传输文本数据。要使用 Serial 通信，我们需要安装 pyserial 模块，可以使用以下命令进行安装：

sudo pip install pyserial

安装完成后，我们可以创建一个串口连接，并使用 write() 和 read() 方法来发送和接收数据。以下是一个简单的示例：

import serial 
pilite = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600) 
pilite.open() 
pilite.write(bytes("Hello", "utf-8"))

这个示例代码将 “Hello” 消息通过串口发送出去。

扩展硬件选择

除了上述通信协议，我们还可以通过一些扩展硬件来增强树莓派的功能。

扩展硬件	特点	价格	适用场景
Arduino	微控制器板，有更多 GPIO 引脚和模拟输入输出，有大量扩展板（盾牌）	因型号而异	适合电子爱好者，可快速搭建硬件项目
PiFace	直接插在树莓派 GPIO 引脚上，缓冲输入输出，有继电器可驱动高功率组件	约 £25 ($41)	适合简单机器人项目
Gertboard	集成多种功能，如微处理器学习芯片、电机控制器、数模和模数转换器等	约 £60 ($98)	适合学习电子和控制，后续可设计更小电路
Wireless Inventor’s Kit	包含简单无线电通信所需组件，工作在比 WiFi 更低的级别	因套装而异	适合需要远程连接传感器或控制电路的项目

流行项目示例

利用树莓派和一些组件，我们可以实现各种有趣的项目。

机器人项目

机器人项目的范围很广，从简单的两轮驱动设备到复杂的人形机器人都可以实现。在机器人项目中，我们需要学习如何控制电机，PiFace 的继电器是一个不错的选择。同时，可能还需要一些舵机和传感器，帮助机器人感知周围环境。

家庭自动化项目

通过树莓派、一些电路和 Python 代码，我们可以实现家庭自动化，比如通过智能手机控制家里的暖气和灯光。结合之前学习的从网络控制 Python 程序的知识，这个梦想可以轻松实现。

防盗报警项目

利用树莓派的摄像头和被动红外（PIR）运动传感器，我们可以创建自己的防盗报警系统，保障家庭安全。

数字艺术项目

数字艺术是一种新兴的艺术形式，我们可以通过树莓派为艺术装置添加新的维度，比如动态灯光效果或压力感应反馈。

代码调试方法

在编程过程中，我们经常会遇到代码不按预期运行的情况。这时，我们可以通过打印变量值的方法来查找问题。

以下是一个简单菜单系统的代码示例：

choices = {1:"Start", 2:"Edit", 3:"Quit"}
for key, value in choices.items():
    print("Press ", key, " to ", value)
user_input = input("Enter choice: ")
if user_input in choices.values():
    print("You chose", choices[user_input])
else:
    print("Unknown choice")

这段代码无论输入什么，都会输出 “Unknown choice”。我们可以通过添加 print() 语句来查找问题：

choices = {1:"Start", 2:"Edit", 3:"Quit"}
for key, value in choices.items():
    print("Press ", key, " to ", value)
user_input = input("Enter choice: ")
print("user_input: ", user_input)
print("choices: ", choices)
print("choices.values(): ", choices.values())
if user_input in choices.values():
    print("You chose", choices[user_input])
else:
    print("Unknown choice")

通过输出结果，我们发现问题出在 if 语句中，应该使用 choices.keys() 而不是 choices.values() 。修改代码后再次运行，可能还会发现新的问题。进一步扩展 print() 语句，查看变量的数据类型：

print("user_input: ", user_input)
print("choices: ", choices)
print("choices.values(): ", choices.values())
print("type(user_input): ", type(user_input))
for key in choices.keys():
    print("type(key): ", type(key), "key: ", key)

运行后我们发现， user_input 是字符串类型，而 choices 的键是整数类型。解决方法是将 choices 的键改为字符串类型：

choices = {"1":"Start", "2":"Edit", "3":"Quit"}

为了避免在调试完成后输出过多不必要的信息，我们可以添加一个调试标志：

debug = True
choices = {"1":"Start", "2":"Edit", "3":"Quit"}
for key, value in choices.items():
    print("Press ", key, " to ", value)
user_input = input("Enter choice: ")
if debug:
    print("DEBUG user_input: ", user_input)
    print("DEBUG choices: ", choices)
    print("DEBUG choices.values(): ", choices.values())

通过这种方式，我们可以灵活控制调试信息的输出。

综上所述，树莓派在硬件交互和代码调试方面有丰富的功能和方法。通过合理运用通信协议、扩展硬件和调试技巧，我们可以实现各种有趣的项目。希望本文能为你在树莓派的学习和实践中提供帮助。

树莓派硬件交互与代码调试全解析

调试流程总结

为了更清晰地展示代码调试的过程，我们可以用一个 mermaid 流程图来总结：

graph TD;
    A[代码运行异常] --> B[添加 print 语句输出变量值];
    B --> C{发现问题?};
    C -- 是 --> D[修改代码];
    C -- 否 --> E[扩展 print 语句查看数据类型];
    E --> F{发现问题?};
    F -- 是 --> D;
    F -- 否 --> G[继续深入分析代码逻辑];
    D --> H{代码正常运行?};
    H -- 是 --> I[添加调试标志控制输出];
    H -- 否 --> B;

这个流程图展示了一个基本的调试流程，当代码出现异常时，首先通过 print 语句输出变量值来初步排查问题。如果问题未解决，则进一步查看变量的数据类型。找到问题并修改代码后，检查代码是否正常运行，若仍有问题则继续重复上述步骤，直到代码正常运行，最后可以添加调试标志来控制调试信息的输出。

不同通信协议的使用场景分析

不同的通信协议适用于不同的场景，下面我们来详细分析一下：

通信协议	特点	适用场景
SPI	高速双向通信，使用四根线，有主从之分	适用于需要快速传输大量二进制数据的场景，如连接 MCP3008 芯片读取模拟信号
I2C	更强大，有寻址功能，使用两根数据线	适用于连接多个设备的场景，如连接多个传感器或扩展板
Serial	主要用于传输文本数据	适用于需要与其他设备进行简单文本通信的场景，如与 Ciseco PiLite 通信

在选择通信协议时，我们需要根据具体的项目需求来决定。如果需要高速传输大量数据，SPI 可能是一个不错的选择；如果需要连接多个设备，I2C 则更为合适；而如果只是进行简单的文本通信，Serial 就足够了。

扩展硬件的连接与使用步骤

下面我们分别介绍一下几种扩展硬件的连接与使用步骤。

Arduino

硬件连接 ：由于大多数 Arduino 型号工作在 5V，而树莓派工作在 3.3V，所以需要使用逻辑电平转换器来连接树莓派的 GPIO 引脚和 Arduino。也可以通过 USB 进行串口通信。
编程：Arduino 使用 C++ 方言进行编程，虽然与 Python 语言布局不同，但基本原理相似。如果你有一定的编程基础，应该不难上手。