昉·星光系列课程2：昉·星光开发板按键处理

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课程2：昉·星光开发板按键处理

本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第二讲，将带领同学们在昉·星光开发板上，通过GPIO进行按键处理。

一、学习目标

  • 学习昉·星光开发板GPIO输入和普通按键处理
  • 学习昉·星光开发板上矩阵键盘的处理

二、准备工作

在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：

  • 开发板：昉·星光开发板
  • LED：单色LED模块
  • 按键与键盘：
    • 普通按键
    • 薄膜键盘
  • 杜邦线：若干

0.准备工作
0.准备工作5120×3840 2.17 MB

三、Ubuntu系统设备权限设置

在第一讲中，当运行GPIO相关的指令，或者运行Python程序时，都使用到了sudo来取得root权限运行。

大多数时候，我们希望在普通用户环境下，也能编程控制GPIO设备。

在Ubuntu系统中，可以通过设置合适的udev规则，来使得普通用户也可以得到所需的权限。

GPIO设备的udev权限设置如下：

# 添加gpio用户组

sudo groupadd -f -r gpio

# 将当前用户添加到gpio组

sudo usermod -a -G gpio $USER

# 设置gpio的udev权限规则

sudo nano /etc/udev/rules.d/99-gpio.rules

# 将下面的内容添加到文件中

SUBSYSTEM=="gpio", KERNEL=="gpiochip*", ACTION=="add", RUN+="/bin/chgrp -R gpio /sys/class/gpio/export /sys/class/gpio/unexport /dev/gpiochip0 /dev/gpiochip1", RUN+="/bin/chmod -R u+rw,g=u /sys/class/gpio/export /sys/class/gpio/unexport /dev/gpiochip0 /dev/gpiochip1"

SUBSYSTEM=="gpio", KERNEL=="gpio*", ACTION=="add", RUN+="/bin/chgrp -R gpio /sys%p", RUN+="/bin/chmod -R u+rw,g=u /sys%p", RUN+="/bin/chmod -R u+rw,g=u /sys%p/value"

SUBSYSTEM=="gpio", KERNEL=="gpio*", ACTION=="change", ENV{TRIGGER}!="none", RUN+="/bin/chgrp -R gpio /sys%p", RUN+="/bin/chmod -R u+rw,g=u /sys%p", RUN+="/bin/chmod -R u+rw,g=u /sys%p/value"

# 重置udev规则使其生效

sudo udevadm control --reload-rules

# 查看规则：列出文件的用户和组均为root gpio

ls -lh /dev/gpiochip* /sys/class/gpio/{export,unexport}

# 如有可能，重启生效更彻底

sudo reboot

四、普通按键处理

在第一讲中，我们通过GPIO控制LED，是通过GPIO输出高低电平来控制的。

而要使用按键，则需要通过GPIO输入信息。通常按键会有按下时候的电平，本次课程实验准备的按键模块，是按下低电平。

我们需要获取按键的状态，并根据状态来设置LED，如果按下按键，则点亮LED，如果松开按键，则熄灭LED。

首先，参考下图，将单色LED模块和按键模块，连接到昉·星光开发板：

1.接线
1.接线1476×870 144 KB

实物连接如下：

2.实物连线
2.实物连线5120×3840 2.46 MB

然后，编写如下的程序：

# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/key/button.py
import time

import gpio as GPIO

LED = 448
BUTTON = 450

GPIO.setup(LED, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BUTTON, GPIO.IN)

value_prev = 1
GPIO.output(LED, GPIO.LOW)
while True:
    value = GPIO.input(BUTTON)
    if not value == value_prev:
        value_prev = value
        if value == 1:
            GPIO.output(LED, GPIO.LOW)
        else:
            GPIO.output(LED, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.1)

上述程序的逻辑较为简单，就是检测按键状态，然后为高电平(松开)则熄灭LED，为低电平(按下)则点亮LED。

编写完成后，运行 button.py ，即可按键控制LED了。

# 如果遇到错误，再次运行，直到正常运行不出错为止：

python3 button.py

3.运行
3.运行2560×1707 766 KB

五、矩阵键盘处理

除了通常的普通按键以外，常用的按键还有ADC按键和矩阵按键。ADC按键通过检测电压值来区分不同的按键，矩阵按键则通常通过逐行扫描的方式来检测按键。

因为昉·星光开发板上没有ADC模块，需要外接转接板才能使用ADC按键，因此本次课程就先不讲ADC按键了。

矩阵按键仅需要足够的GPIO口，就可以进行检测。昉·星光开发板有40Pin，足够使用了。

矩阵键盘的原理并不是很复杂，通常一个4x4的矩阵键盘结构如下：

4.矩阵键盘原理图
4.矩阵键盘原理图749×748 44.4 KB

矩阵键盘通过上线路(列)和下线路(行)的联通，来进行按键的区分检测。

线路的默认电平都为低电平。每次检测时，先将上线路4条线路中的第1条线路设置为高电平，然后马上检测下线路4条线路的电平状态。如果检测到下线路某条线为高电平，说明这条线路，与上线路第1条线的交叉点联通，从而确定具体的按键位置。如果没有检测到高电平，则将上线路4条线路中的第2条线路设置为高电平，然后重复下线路检测过程。直到检测完成。因为检测的速度很快，所以可以较为准确的确定具体的按键。

这样检测的好处在于，只需要n+m根线，即可检测n*m个按键，极大了减少了开发板上GPIO口的占用。

注意：在有的资料中，会选择默认高电平，检测低电平的方式；另外，上下线路原则上，是可以互换的，只需要对好逻辑关系即可。

了解以上原理以后，我们就可以开始实际操作了。参考下图，将矩阵键盘连接到昉·星光开发板上：

5.矩阵连线
5.矩阵连线1576×600 102 KB

连好线后的实物如下：

6.矩阵实物
6.矩阵实物3840×5120 2.74 MB

为了方便操作，把连接线压到了昉·星光开发板的下面。

之前我们使用的GPIO模块，较为基础，不适合复杂的GPIO操作。要完成矩阵模块的检测，我们需要使用更为高级的gpiod模块，通过如下指令安装：

# 安装系统gpiod工具

sudo apt install gpiod

# 安装Python的gpiod模块

sudo pip install gpiod

# 查看系统gpio处理设备：

sudo gpiodetect

# 查看gpio设备：

sudo gpioinfo

通过gpiodetect和gpioinfo，可以查看到昉·星光开发板上的GPIO设备情况。
gpiod比之前通过shell或者python3-gpio操作更方便，引脚与设备号之间，不需要转换，40Pin上的GPIO0，在gpiod里面，直接就对应0号，下面要编写的程序中就能体现。

安装完成后，编写如下的程序：

# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/key/keypad.py
import sys
from datetime import timedelta
from gpiod import chip, line_request, line_event
import time

# 设置按键键码
KEYPAD = [
        ["1","2","3","A"],
        ["4","5","6","B"],
        ["7","8","9","C"],
        ["*","0","#","D"]
]

# 设置行列对应的GPIO引脚
ROW_PINS = [0,1,2,3] # 控制行
COL_PINS = [4,6,8,9] # 控制列

# 使用gpiochip0，其为40Pin的gpio处理设备
c = chip(0)

# 设置控制行输出模式
config = line_request()
config.request_type = line_request.DIRECTION_OUTPUT

# 设置4个控制行
pins = [None, None, None, None]
for i in range(len(ROW_PINS)):
    # 设为输出口
    pins[i] = c.get_line(ROW_PINS[i])
    pins[i].request(config)
    pins[i].set_value(0)

# 设置控制列为输入：上升沿触发配置，下拉模式
buttons = c.get_lines(COL_PINS)
config = line_request()
config.request_type = line_request.EVENT_RISING_EDGE
config.flags = line_request.FLAG_BIAS_PULL_DOWN

# 设置按键输入
for i in range(buttons.size):
    config.consumer = "{}".format(i)
    buttons[i].request(config)

# 扫描按键
def scanLine(line,characters):
    # 检测开始，设置高电平
    line.set_value(1)

    # 检测按键
    lines = buttons.event_wait(timedelta(seconds=0.05))
    if not lines.empty:
        for it in lines:
            event = it.event_read()
            # 检测触发状态            
            if event.event_type == line_event.RISING_EDGE:
                # 输出对应的按键
                print("Key: ", characters[int(it.consumer)])

    # 检测完毕，设置低电平
    line.set_value(0)

try:
    print("\nKeyPad detector start:")
    while True:
        # 依次扫描
        for i in range(len(ROW_PINS)):
            scanLine(pins[i], KEYPAD[i])
except KeyboardInterrupt:
    print("\nKeyPad detector stopped!")

编写完程序后，运行该程序，并进行按键测试，即可收到如下的输出结果：

7.矩阵按键输出
7.矩阵按键输出844×418 31.6 KB

六、总结

在本次课程中，我们学习了通过GPIO来读取普通按键的状态，并进一步学习了矩阵按键的处理。

这两种按键，在IoT开发中，都很常用，用于使用者的基本输入处理。

在矩阵按键处理中，使用到了gpiod模块，其使用比gpio模块要复杂，但是可以做的操作更多，可以详细了解学习。

如果要进一步学习gpiod模块的用法，可以查看网址：Python gpiod | https://wiki.loliot.net/docs/lang/python/libraries/gpiod/python-gpiod-about/

七、课后作业

  • 了解gpiod的用法
  • 编写通过矩阵按键，来控制LED的程序
  • 长按键或者短按键，观察样例程序的输出，然后尝试编程实现判断长按键和短按键
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