Rust GPIO和硬件控制库rppal使用指南

简介

rppal (Raspberry Pi Peripheral Access Library) 是一个专门为树莓派设计的Rust库，提供了对GPIO、I2C、PWM和SPI接口的高效访问。它允许Rust开发者直接与树莓派的硬件外设交互，非常适合嵌入式开发和物联网项目。

主要特性

• 支持GPIO输入/输出、中断和软件PWM
• 支持I2C总线通信
• 支持硬件PWM
• 支持SPI主设备通信
• 线程安全设计
• 支持树莓派多个型号(Zero/1/2/3/4)

安装

在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
rppal = "0.14"

使用示例

1. GPIO基本使用

use rppal::gpio::Gpio;
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 初始化GPIO
    let gpio = Gpio::new()?;
    
    // 获取GPIO17引脚作为输出
    let mut pin = gpio.get(17)?.into_output();
    
    // 闪烁LED
    loop {
        pin.set_high();
        thread::sleep(Duration::from_millis(500));
        pin.set_low();
        thread::sleep(Duration::from_millis(500));
    }
}

2. 使用中断检测按钮按下

use rppal::gpio::{Gpio, InputPin, Level, Trigger};
use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
use std::sync::Arc;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let gpio = Gpio::new()?;
    let pin = gpio.get(23)?.into_input_pullup();
    
    // 设置中断触发器 - 下降沿(按钮按下)
    pin.set_interrupt(Trigger::FallingEdge)?;
    
    let running = Arc::new(AtomicBool::new(true));
    let r = running.clone();
    
    ctrlc::set_handler(move || {
        r.store(false, Ordering::SeqCst);
    })?;
    
    println!("等待按钮按下...");
    
    while running.load(Ordering::SeqCst) {
        if let Ok(Some(Level::Low)) = pin.poll_interrupt(false, None) {
            println!("按钮被按下!");
        }
    }
    
    Ok(())
}

3. I2C通信示例

use rppal::i2c::I2c;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 初始化I2C，默认总线1
    let mut i2c = I2c::new()?;
    
    // 设置从设备地址(例如0x40)
    i2c.set_slave_address(0x40)?;
    
    // 写入数据
    i2c.write(&[0x01, 0x02, 0x03])?;
    
    // 读取数据
    let mut buffer = [0u8; 4];
    i2c.read(&mut buffer)?;
    
    println!("读取的数据: {:?}", buffer);
    
    Ok(())
}

4. PWM使用示例

use rppal::pwm::{Pwm, Channel};
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 使用PWM0通道
    let pwm = Pwm::with_frequency(Channel::Pwm0, 100.0, 极好的选择。0.5, false, true)?;
    
    // 渐变LED亮度
    for i in 0..=100 {
        let duty_cycle = i as f64 / 100.0;
        pwm.set_duty_cycle(duty_cycle)?;
        thread::sleep(Duration::from_millis(20));
    }
    
    Ok(())
}

5. SPI通信示例

use rppal::spi::{Spi, Bus, SlaveSelect, Mode, ClockSpeed};

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 初始化SPI
    let spi = Spi::new(
        Bus::Spi0,
        SlaveSelect::Ss0,
        ClockSpeed::_1Mhz,
        Mode::Mode0
    )?;
    
    // 写入并同时读取数据
    let write = [0x01, 0x02, 0x03];
    let mut read = [0u8; 3];
    spi.transfer(&mut read, &write)?;
    
    println!("接收到的数据: {:?}", read);
    
    Ok(())
}

完整示例代码

下面是一个综合使用rppal库的完整示例，展示了GPIO、PWM和中断的综合应用：

use rppal::gpio::{Gpio, Level, Trigger};
use rppal::pwm::{Pwm, Channel};
use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
use std::sync::Arc;
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 初始化GPIO
    let gpio = Gpio::new()?;
    
    // 设置按钮引脚(GPIO23)为输入带上拉电阻
    let button = gpio.get(23)?.into_input_pullup();
    
    // 设置LED引脚(GPIO17)为PWM输出
    let pwm = Pwm::with_frequency(Channel::Pwm0, 100.0, 0.0, false, true)?;
    
    // 创建共享状态用于控制循环
    let running = Arc::new(AtomicBool::new(true));
    let r = running.clone();
    
    // 设置Ctrl+C处理程序
    ctrlc::set_handler(move || {
        r.store(false, Ordering::SeqCst);
    })?;
    
    // 设置按钮中断(下降沿触发)
    button.set_interrupt(Trigger::FallingEdge)?;
    
    println!("程序已启动，按Ctrl+C退出");
    println!("按下按钮将改变LED亮度");
    
    let mut brightness = 0.0;
    let mut increasing = true;
    
    while running.load(Ordering::SeqCst) {
        // 检查按钮是否被按下
        if let Ok(Some(Level::Low)) = button.poll_interrupt(false, None) {
            println!("按钮被按下，改变亮度方向");
            increasing = !increasing;
        }
        
        // 更新LED亮度
        if increasing {
            brightness += 0.01;
            if brightness >= 1.0 {
                brightness = 1.0;
                increasing = false;
            }
        } else {
            brightness -= 0.01;
            if brightness <= 0.0 {
                brightness = 0.0;
                increasing = true;
            }
        }
        
        pwm.set_duty_cycle(brightness)?;
        thread::sleep(Duration::from_millis(10));
    }
    
    println!("程序退出");
    Ok(())
}

注意事项

1. 运行程序需要root权限，因为直接访问硬件外设
2. 确保没有其他程序正在使用相同的硬件资源
3. 不同树莓派型号的GPIO引脚布局可能不同
4. 使用中断时要注意去抖动处理

更多功能

rppal还提供了其他高级功能，如：

• 软件PWM生成
• 硬件定时器
• 多线程安全访问
• 自定义GPIO轮询间隔