03 GPIO

作者：拓毅恒

一、GPIO 概述

GPIO（General Purpose Input/Output）即通用输入/输出，是一种可以灵活配置的数字信号引脚，支持高电平（通常为 VCC）和低电平（通常为 GND）两种状态。

Air780EHV 提供了丰富的 GPIO 资源，支持多种工作模式，包括：

输出模式：控制 GPIO 输出高电平或低电平，用于驱动 LED、继电器等外部设备。
输入模式：读取 GPIO 外部输入的电平状态，用于检测按键、传感器等信号。
上拉/下拉模式：在输入模式下配置内部上拉或下拉电阻，提高信号稳定性。
中断模式：通过配置中断触发条件（上升沿、下降沿或双边沿），实现信号变化的实时响应。

GPIO 功能是嵌入式开发中最基础也是最常用的功能之一，掌握 GPIO 的各种工作模式和使用方法，对于实现各种控制逻辑和信号交互至关重要。

二、准备硬件环境

参考：Air780EHV 硬件环境清单，准备好硬件环境。

2.1 Air780EHV 核心板

三、准备软件环境

3.1 文章内容应用

在开始实践本示例之前，先筹备一下软件环境：

1. 烧录工具：Luatools 工具；

2. 内核固件：本demo开发测试时使用的固件为Air780EHV V2014 版本固件，本demo对固件版本没有什么特殊要求，所以你如果要测试本demo时，可以直接使用最新版本的内核固件；如果发现最新版本的内核固件测试有问题，可以使用我们开发本demo时使用的内核固件版本来对比测试；

3. 脚本文件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air780EHV/demo/gpio

4. LuatOS 运行所需要的 lib 文件：使用 Luatools 烧录时，勾选添加默认 lib 选项，使用默认 lib 脚本文件。

准备好软件环境之后，接下来查看如何烧录项目文件到 780EHV 中，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air780EHV 核心板中。

3.2 API 介绍

这里仅介绍本篇文档所使用的 API，详情请查看：API - gpio；API - pm

gpio.setup(pin, func, pull, irq)

配置 GPIO 引脚模式、功能和属性

gpio.get(pin)

读取 GPIO 引脚的当前电平状态

gpio.set(pin, level)

设置 GPIO 引脚的输出电平

gpio.debounce(pin, time)

配置 GPIO 引脚的防抖时间

gpio.count(pin)

读取 GPIO 引脚的中断触发次数（在计数模式下）

gpio.pulse(pin, pattern, count, delay)

通过 GPIO 引脚输出指定模式的脉冲序列

pm.power(device, enable)

控制系统电源和工作模式

四、GPIO 功能实现概述

本小节详细介绍 Air780EHV 核心板上 GPIO 各种功能模式的实现方法和核心代码逻辑。

4.1 GPIO 输出模式

GPIO 输出模式用于控制外部设备。

4.1.1 功能定义

配置 GPIO 引脚为输出模式，控制其输出高电平或低电平。

4.1.2 代码示例

local gpio_number = 26

gpio.setup(gpio_number, 1) -- 设置GPIO26为输出模式

local function controlgpio_task()
    -- 开始演示GPIO输出功能
    local count = 0
    while true do
        gpio.set(gpio_number, 1)
        log.info("GPIO", "当前IO26电平设置为高",count)
        sys.wait(1000)
        gpio.set(gpio_number, 0)
        log.info("GPIO", "当前IO26电平设置为低")
        sys.wait(1000)
        count = count + 1
    end
end

-- 执行任务函数
sys.taskInit(controlgpio_task)

4.2 GPIO 输入模式

GPIO 输入模式用于读取外部信号，如按键状态、传感器输出等。

4.2.1 功能定义

配置一个 GPIO 引脚为输入模式，读取其电平状态，并将该状态反映到另一个作为输出的 GPIO 引脚上。

4.2.2 代码示例

-- 配置gpio24为输入模式
-- 配置GPIO26为输出模式
local inputpin = 24
local ledpin = 26

gpio.setup(inputpin, nil, gpio.PULLDOWN)
gpio.setup(ledpin, 1)

gpio.debounce(inputpin, 50)
--GPIO24检测到有高低电平输入后，会返回GPIO24当前获取到的电平为高还是低，高返回值为1，低返回值为0
--将这个返回值，传给GPIO26,为0 则GPIO26输出低电平，为1则输出高电平
local function controlgpio()
    local level = 0
    while true do
        level = gpio.get(inputpin)
        log.info("gpio","set netled level: ",level)
        gpio.set(ledpin, level)
        sys.wait(500)
    end
end

sys.taskInit(controlgpio)

4.3 GPIO 上拉下拉模式

上拉下拉模式用于在输入状态下保持引脚的默认电平，防止信号不稳定。

4.3.1 功能定义

配置两个 GPIO 引脚，一个为上拉输入模式，一个为下拉输入模式，并定时读取它们的电平状态。

4.3.2 代码示例

-- 定义两个 GPIO 引脚
local gpio_pin1 = 2
local gpio_pin2 = 26
-- 按键防抖函数
gpio.debounce(gpio_pin1, 50)
gpio.debounce(gpio_pin2, 50)

-- 设置GPIO2引脚为上拉输入模式
gpio.setup(gpio_pin1, nil, gpio.PULLUP)

-- 设置GPIO26引脚为下拉输入模式
gpio.setup(gpio_pin2, nil, gpio.PULLDOWN)

local function gpiopulltask()
    log.info("GPIO",gpio_pin1,"电平",gpio.get(gpio_pin1))
    log.info("GPIO",gpio_pin2,"电平",gpio.get(gpio_pin2))
end

sys.timerLoopStart(gpiopulltask,1000)

4.4 GPIO 中断模式

中断模式允许 GPIO 在检测到特定信号变化时立即触发回调函数，无需持续轮询。

4.4.1 功能定义

配置 GPIO 引脚为中断模式，设置双边沿触发（上升沿和下降沿都触发），并在中断触发时执行回调函数当 GPIO24 的电平发生变化时，会触发中断并检测按键动作，在串口日志中打印短按(小于 3 秒)或长按(大于等于 3 秒)事件。

4.4.2 代码示例

-- 配置gpio24为中断模式，上升沿(gpio.RISING)和下降沿(gpio.FALLING)均触发(gpio.BOTH)
local gpio_pin = 24
-- gpio.debounce(gpio_pin, 100) -- 实际设计板子时，根据自己的需求可以更改防抖配置以及打开防抖

-- 按键状态变量
local long_press_threshold = 3000  -- 长按判断阈值，3秒
local current_state = 1  -- 跟踪当前按键状态，1为释放，0为按下

-- 定时器回调函数，处理长按事件
local function timer_callback(gpio_id)
    log.info("按键检测", "长按事件", gpio_id)
end

-- 定义GPIO中断处理函数
local function gpio_irq_handler()
    local pin_state = gpio.get(gpio_pin)  -- 获取GPIO当前状态

    -- 只有当状态发生变化时才处理
    if pin_state ~= current_state then
        current_state = pin_state  -- 更新当前状态

        if pin_state == 0 then
            -- 按键按下
            log.info("按键检测", "按键按下")
            if not sys.timerIsActive(timer_callback, gpio_pin) then
                -- 启动定时器，3秒后触发长按事件
                sys.timerStart(timer_callback, long_press_threshold, gpio_pin)
            end
        elseif pin_state == 1 then
            -- 按键释放
            log.info("按键检测", "按键释放")

            -- 如果定时器还在运行，说明是短按
            if sys.timerIsActive(timer_callback, gpio_pin) then
                sys.timerStop(timer_callback, gpio_pin)
                log.info("按键检测", "短按事件")
            end
        end
    end
end

-- 配置GPIO中断
gpio.setup(gpio_pin, gpio_irq_handler, gpio.PULLUP, gpio.BOTH)

4.5 GPIO 中断计数模式

中断计数模式专门用于统计外部信号的触发次数，适用于频率测量等应用场景。

4.5.1 功能定义

配置 GPIO 引脚为中断计数模式，定期统计中断触发次数。

4.5.2 代码示例

-- 配置gpio24为中断计数模式
-- 设置好后系统会自动记录中断触发次数。
local gpio_pin = 24
-- gpio.setup(gpio_pin, gpio.count, gpio.PULLUP, gpio.FALLING)
gpio.setup(gpio_pin, gpio.count)

-- 每隔1S统计一次中断触发的次数
local function countIrq()
    while true do
        sys.wait(1000)
        -- 返回从上次调用该函数后到当前时刻的中断触发次数
        log.info("irq cnt", gpio.count(gpio_pin)) -- 调用函数时会自动清空中断累计值
    end
end

sys.taskInit(countIrq)

4.6 AGPIO 低功耗模式

AGPIO（Advanced GPIO）是一种特殊的 GPIO，可以在深度休眠模式下保持电平状态，适用于低功耗应用。

4.6.1 功能定义

比较普通 GPIO 和 AGPIO 在进入深度休眠模式前后的行为差异，展示 AGPIO 在低功耗模式下保持电平的特性。

4.6.2 代码示例

local gpio_number = 1   -- 普通GPIO GPIO号为1，休眠后掉电。
local Agpio_number = 26 -- AGPIO GPIO号为26，休眠后可保持电平。

gpio.setup(gpio_number, 1)
gpio.setup(Agpio_number, 1)

local function enterlowpower()
    sys.wait(10000)
    -- 关闭USB电源
    pm.power(pm.USB, false)
    -- 进入PSM+模式
    pm.power(pm.WORK_MODE, 3)
end

sys.taskInit(enterlowpower)

4.7 GPIO 翻转测速模式

GPIO 翻转测速模式用于通过快速改变 GPIO 电平状态，生成特定模式的脉冲序列。

4.7.1 功能定义

配置 GPIO 引脚为输出模式，使用 gpio.pulse() 函数生成特定模式的电平变化序列，用于测试 GPIO 翻转速度或生成特定信号。

4.7.2 代码示例

-- 定义要使用的 GPIO 引脚
local test_gpio_number = 26

gpio.setup(test_gpio_number, 0, gpio.PULLUP)

local function gpiotoggletask()
    sys.wait(100)
    while true do
        sys.wait(100)
        -- 通过GPIO26脚输出输出8组电平变化
        -- 0xA9就是输出的电平高低状态，即 10101001
        gpio.pulse(test_gpio_number, 0xA9, 8, 0)
        log.info("gpio----------->pulse")
    end
end

sys.taskInit(gpiotoggletask)