C++编程ARM+Linux的IO端口控制

I/O端口有四种标准分类：

DI (Digital Input - 数字量输入)：接收一个离散的、通常是两态的开关信号。例如：按钮是否按下、接近开关是否检测到物体、继电器的通断状态。

典型值：0 (OFF) 或 1 (ON)，有时是 0/24V， 0/5V 等。

DO (Digital Output - 数字量输出)：输出一个离散的、控制外部设备的开关信号。例如：点亮指示灯、启动继电器、控制蜂鸣器。

典型值：输出 0 (OFF) 或 1 (ON)。

AI (Analog Input - 模拟量输入)：接收一个连续变化的物理量信号。这个信号需要被转换成数字值才能被计算机处理。

典型信号：4-20mA电流，0-10V电压，热电偶的毫伏信号等。

典型值：一个范围内的整数值（如0-4095对应12位ADC）或一个工程单位的浮点数（如25.6°C， 103.5kPa）。

AO (Analog Output - 模拟量输出)：输出一个连续变化的控制信号。

典型信号：输出4-20mA电流，0-10V电压。

典型值：接收一个范围内的整数值（如0-4095）或一个工程单位的浮点数（如50.0%的开度），然后由硬件转换为相应的模拟信号。

ARM + Linux架构，集成的io控制模块的方法：

第一部分：硬件集成
ARM Linux板子（如树莓派、RK3399、i.MX6ULL等）本身通常只有有限的GPIO引脚。要控制工业上常见的更多、更专业的I/O模块（如多路DI/DO、AI/AO卡），需要通过以下方式集成：

1）片上GPIO (最直接)

直接使用主芯片引出的GPIO引脚。功能简单，数量有限。

连接方式：通过排针引出，直接连接简单的传感器（如按钮、LED）或通过光耦、继电器模块驱动大负载。

2）总线扩展 (最常用)

通过板载的标准总线协议连接专门的I/O扩展芯片或模块。这是扩展I/O能力的主流方式。

常见协议：

I²C (Inter-Integrated Circuit)： 2根线（数据线SDA、时钟线SCL），适合中低速、短距离、连接多个从设备（每个设备有唯一地址）。常见I/O扩展芯片如PCA9554/9555（8位I/O）、MCP23008/23017（8/16位I/O）。

SPI (Serial Peripheral Interface)： 4根线及以上（时钟SCLK、主出从入MOSI、主入从出MISO、片选CS），全双工、高速。常见I/O扩展芯片如MCP23S08/23S17（SPI接口的I/O扩展器）。

UART (串口)： 2根线（TX、RX），通过连接协议转换模块（如Modbus RTU协议转I/O的模块）来控制远程I/O。在工业领域非常普遍。

专用功能扩展 (针对性强)

通过如PCIe、USB等接口连接功能更强大的外部I/O控制卡。这种方式性能高，但成本和复杂度也高。

第二部分：软件控制
软件控制的核心：为硬件I/O找到或创建其在Linux系统中的软件接口。有以下三种层次的方法，从上到下，难度和灵活性递增。

方法一：使用Sysfs (用户空间最常用)
这是最简单的方法，无需编写内核代码。Linux内核的GPIO子系统提供了一个通过文件系统（/sys/class/gpio/）访问GPIO的接口。

控制步骤（以控制GPIO Pin 18为例）：

导出GPIO：告诉系统你要使用哪个GPIO。
echo 18 > /sys/class/gpio/export
执行后会出现 /sys/class/gpio/gpio18 目录。

设置方向：设置为输出（out）或输入（in）。
echo "out" > /sys/class/gpio/gpio18/direction
读写值：

输出高电平/低电平：
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio18/value  # 输出高电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio18/value  # 输出低电平
读取输入值：
cat /sys/class/gpio/gpio18/value
取消导出（完成后）：
echo 18 > /sys/class/gpio/unexport

对于AI和AO的使用解释：

AI (Analog Input) - 模拟量输入 【主要功能：读】
AI通道的本质是一个测量器。它的工作流程是：

物理信号 -> 数字值 -> 工程值

物理信号：来自现场的传感器，是一个连续变化的电压或电流信号。

常见范围：0-10V, 0-5V, ±10V, 4-20mA 等。

例如：温度传感器（PT100）输出 4-20mA 电流，对应温度范围 0-100°C。

数字值 (Raw Value)：

AI模块内部的ADC（模数转换器） 将物理信号转换成一个整型的数字值。

这个值的范围取决于ADC的分辨率（位数）。

例如：一个12位的ADC，转换后的数字值范围是 0 - 4095。

工程值 (Engineering Value / Scaled Value)：

数字值对人类来说没有直接意义，需要通过一个量程转换公式，将其转换成具有实际物理单位的数值。

转换公式：工程值 = (数字值 - 数字下限) / (数字上限 - 数字下限) * (工程上限 - 工程下限) + 工程下限

接上例：4mA (对应数字值0) ~ 20mA (对应数字值4095) 对应 0°C ~ 100°C。

当读到的数字值 = 2048时，计算：温度 = (2048 - 0) / (4095 - 0) * (100.0 - 0.0) + 0.0 ≈ 50.0°C

AO (Analog Output) - 模拟量输出 【主要功能：写】
AO通道的本质是一个设定器。它的工作流程是AI的逆过程：

工程值 -> 数字值 -> 物理信号

工程值：你希望输出的具有物理单位的数值。

例如：你希望控制阀门的开度为 65.5%。

数字值 (Raw Value)：

AO模块内部的DAC（数模转换器） 会根据量程转换公式，将工程值转换成一个整型的数字值。

接上例：0.0% (对应数字值0) ~ 100.0% (对应数字值4095) 。

数字值 = (65.5 - 0.0) / (100.0 - 0.0) * (4095 - 0) + 0 ≈ 2683

物理信号：

DAC根据数字值2683输出一个对应的模拟电压或电流信号。

例如：输出一个 (2683 / 4095) * 10V ≈ 6.55V 的电压信号去驱动阀门定位器。