Использование библиотеки libgpiod для управления GPIO

libgpiod — это набор инструментов, специально разработанный для работы с GPIO в системах Linux. Он не только имеет библиотеки низкого уровня для языка C, но также интерфейсы для языков высокого уровня, таких как Python, и поставляется с несколькими инструментами командной строки, что весьма удобно.

GPIO

Настройка BIOS

В системах с ядром Linux 6.1 необходимо убедиться, что система загружена в режиме 0 Orange Pi 6 plus (Device Tree).
Для систем с ядром Linux 6.6, использующих ACPI, убедитесь с помощью команды dmidecode, что версия BIOS - v1.0_for_opi6plus_linux
```
sudo dmidecode -s bios-versio
```
Если это не так, то обратитесь к разделу Обновление BIOS на плате Orange Pi 6 plus, чтобы записать нужную версию BIOS

Установка libgpiod

Для установки библиотеки выполните в командной строке следующие команды:

sudo apt update

sudo apt install -y libgpiod-dev libgpiod2 gpiod libgpiod-doc

sudo apt install -y python3-libgpiod

Базовая концепция

GPIO chip: каждый контроллер GPIO рассматривается как чип GPIO, обычно представленный как /dev/gpiochipX (где X — номер в системе). GPIO Line: каждая микросхема GPIO имеет несколько линий (контактов) GPIO, каждая из которых имеет уникальный номер, начиная с 0.

Для Linux 6.1 cоответствие чипов, линий, GPIO и контактов приведено в таблице ниже:

GPIO Line	GPIO chip	GPIO	Контакт	Контакт	GPIO	GPIO chip	GPIO Line
		3.3 В	1	2	5 В
13	gpiochip3	GPIO 056	3	4	5 В
12	gpiochip3	GPIO 055	5	6	GND
22	gpiochip4	GPIO 097	7	8	GPIO 105	gpiochip4	30
		GND	9	10	GPIO 106	gpiochip4	31
0	gpiochip1	GPIO 015	11	12	GPIO 017	gpiochip1	2
1	gpiochip1	GPIO 016	13	14	GND
24	gpiochip4	GPIO 099	15	16	GPIO 100	gpiochip4	25
		3.3 В	17	18	GPIO 018	gpiochip1	3
17	gpiochip0	GPIO 028	19	20	GND
14	gpiochip0	GPIO 025	21	22	GPIO 019	gpiochip1	4
18	gpiochip0	GPIO 029	23	24	GPIO 026	gpiochip0	15
		GND	25	26	GPIO 027	gpiochip0	16
5	gpiochip3	GPIO 048	27	28	GPIO 047	gpiochip3	4
5	gpiochip1	GPIO 020	29	30	GND
8	gpiochip1	GPIO 023	31	32	GPIO 021	gpiochip1	6
9	gpiochip1	GPIO 024	33	34	GND
14	gpiochip3	GPIO 057	35	36	GPIO 022	gpiochip1	7
17	gpiochip3	GPIO 060	37	38	GPIO 061	gpiochip3	18
		GND	39	40	GPIO 062	gpiochip3	19

Таблица соответствия для Linux 6.6

GPIO Line	GPIO chip	GPIO	Контакт	Контакт	GPIO	GPIO chip	GPIO Line
		3.3 В	1	2	5 В
13	gpiochip0	GPIO 056	3	4	5 В
12	gpiochip0	GPIO 055	5	6	GND
22	gpiochip1	GPIO 097	7	8	GPIO 105	gpiochip1	30
		GND	9	10	GPIO 106	gpiochip1	31
0	gpiochip6	GPIO 015	11	12	GPIO 017	gpiochip6	2
1	gpiochip6	GPIO 016	13	14	GND
24	gpiochip1	GPIO 099	15	16	GPIO 100	gpiochip1	25
		3.3 В	17	18	GPIO 018	gpiochip6	3
17	gpiochip4	GPIO 028	19	20	GND
14	gpiochip4	GPIO 025	21	22	GPIO 019	gpiochip6	4
18	gpiochip4	GPIO 029	23	24	GPIO 026	gpiochip4	15
		GND	25	26	GPIO 027	gpiochip4	16
5	gpiochip0	GPIO 048	27	28	GPIO 047	gpiochip0	4
5	gpiochip6	GPIO 020	29	30	GND
8	gpiochip6	GPIO 023	31	32	GPIO 021	gpiochip6	6
9	gpiochip6	GPIO 024	33	34	GND
14	gpiochip0	GPIO 057	35	36	GPIO 022	gpiochip6	7
17	gpiochip0	GPIO 060	37	38	GPIO 061	gpiochip0	18
		GND	39	40	GPIO 062	gpiochip0	19

Инструменты командной строки

Команда gpiodetect может вывести список всех GPIO контроллеров (chip).

sudo gpiodetect

Команда gpioinfo выводит подробную информацию обо всех контроллерах GPIO.

sudo gpioinfo

Команда gpioset может перевести контакты GPIO в режим вывода и одновременно установить высокий уровень или низкий уровень.

Пример

Задача: Установить высокий уровень на 3 контакте разъёма GPIO в системе с ядром Linux 6.6.

Решение: Взяв данные из соответствующей таблицы, получается, что 3 контакту разъёма соответсвуют gpiochip0 и линия GPIO - 13. Для установки можно использовать следующую команду: вывод GPIO на выход + высокий уровень.

sudo gpioset gpiochip0 13=1

После настройки проверьте при помощи мультиметра напряжение на контакте 3, и вы увидите, что напряжение составляет 3,3 В.

Для установки низкого уровня на контакте используйте следующую команду:

sudo gpioset gpiochip0 13=0

Команда gpioget переводит контакты GPIO в режим ввода и считывает статус уровня контакта.

sudo gpioget gpiochip0 13

Возвращаемое значение 0 или 1

Команда gpiomon используется для мониторинга событий изменения уровня (прерывания) контактов GPIO, таких как нажатие/отпускание кнопок, срабатывание датчиков и т. д. Она основана на механизме событий устройств GPIO ядра Linux, который более эффективен и надежен, чем опрос, и поддерживает такую информацию, как временные метки и типы границ.

sudo gpiomon gpiochip1 1

Пример

Задача Получать данные об уровне на контакте 3 в Linux 6.6

Решение

Возмите данные из таблицы и введите в командной строке следующую команду:

sudo gpiomon gpiochip0 13

Соедините 3 контакт на разъёме с контактом GND. На консоли должно появится сообщение:

Разомкните контакты и увидите следующее сообщение:

Использование языка C для работы с GPIO

Обратите внимание !!!

Код написан для Linux 6.6. Если используется ядро Linux6.1, то gpiochip0 необходимо изменить в коде на gpiochip3.

Запустите редактирование файла gpio_set.c:

vim gpio_set.c

Добавьте следующий код:

#include <gpiod.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define CHIPNAME "gpiochip0" 
#define GPIO_OFFSET 13 // Соответствует контакту 3 в 40-контактном разъеме.

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct gpiod_chip *chip;
    struct gpiod_line *line;
    int value, ret;

    // Проверка параметров командной строки
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Ошибка параметра команды: %s. Используйте 0 или 1\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    value = atoi(argv[1]);

    if (value != 0 && value != 1) {
        fprintf(stderr, "Ошибка: значение уровня должно быть 0 или 1\n");
        return 1;
    }

    //Открываем чип GPIO
    chip = gpiod_chip_open_by_name(CHIPNAME);
    if (!chip) {
        perror("Невозможно открыть чип GPIO");
        return 1;
    }
    
    // Получаем инструкции
    line = gpiod_chip_get_line(chip, GPIO_OFFSET);
    if (!line) {
        perror("Не удалось получить линию GPIO");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }

    // Запрос — режим вывода (имя потребителя — «gpio_set»)
    ret = gpiod_line_request_output(line, «gpio_set», 0); // Первоначально установлено низкое значение
    
    if (ret < 0) {
        perror("Невозможно запросить режим вывода (может быть занято или нет разрешения)");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }

    // Установка уровня
    ret = gpiod_line_set_value(line, value);
    
    if (ret < 0) {
        perror("Не удалось установить значение GPIO");
    } else {
        printf("Контакт %d GPIO %s установлен на %s\n", CHIPNAME, GPIO_OFFSET, value ? "Высокий уровень" : "Низкий уровень");
    }

    // Освободить ресурсы (необязятельно, ресурсы освободятся автоматически после закрытия программы)
    gpiod_line_release(line);
    gpiod_chip_close(chip);
    return 0;
}

Команда для компиляции кода выглядит следующим образом:

gcc -o gpio_set gpio_set.c -lgpiod

Проверить, что программа скомпилирована можно следующей командой:

ls gpio_set

Следующая команда устанавливает высокий уровень на контакте 3 40-контактного разъёма

sudo ./gpio_set 1

Та же команда с параметром 0 установит низкий уровень

sudo ./gpio_set 0

Использование Python для управления GPIO

Откройте файл gpio_set.py для редактирования:

vim gpio_set.py

Добавьте следующий код:

#!/usr/bin/env python3
import sys
import gpiod

CHIPNAME = "gpiochip0" 
GPIO_OFFSET = 13 # Соответствует 3 контакту 3 в 40-контактном разъёме.
def main():
    if len(sys.argv) != 2: 
        print(f"Используйте: {sys.argv[0]} <0|1>", file=sys.stderr) 
        sys.exit(1)

    try: 
        value = int(sys.argv[1]) 
        assert value in (0, 1)
    except (ValueError, AssertionError): 
        print("错误: 电平值必须是 0 或 1", file=sys.stderr) 
        sys.exit(1)

# Открываем чип
with gpiod.Chip(CHIPNAME) as chip: 
    
    # Получить номер линии
    line = chip.get_line(GPIO_OFFSET)

    # Запрос на переход в режим вывода
    line.request(consumer="gpio_set_py", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)
    
    # Установить уровень
    line.set_value(value)

    print(f"GPIO {CHIPNAME} контакт {GPIO_OFFSET} установлен {'высокий' if value else 'низкий'} уровень")

if __name__ == "__main__": 
    main()

Следующая команда устанавливает высокий уровень на контакте 3.

 sudo python3 gpio_set.py 1

Для низкого уровня используйте команду:

sudo python3 gpio_set.py 0

Больше информации по библиотеке libgpiod

Официальная документаци по библиотеке находится по адресу https://libgpiod.readthedocs.io/en/latest/index.html

GPIO​

Настройка BIOS​

Установка libgpiod​

Базовая концепция​

Инструменты командной строки​

Использование языка C для работы с GPIO​

Использование Python для управления GPIO​

Больше информации по библиотеке libgpiod​