mbed 基礎教學實驗 – GPIO控制

在上一篇教學文章中，我們學會了如何操作 mbed LPC1768 這個板子上面的四顆 LED 燈號。今天這篇文章，則是要來教各位利用 LPC1768 上的 GPIO (General purpose input output, GPIO) 來做簡單的周邊控制。

開始之前

除了必備的 mbed LPC1768 之外，你還需要…

• 麵包板一塊
• LED 八顆
• 按鈕開關八個

為什麼是八個呢? 因為一個位元組是由八個位員組成的關係，這樣可以順便呼應上一篇文章所提到的位移的內容。不過如果你懶的話，可以只使用一半，也就是四顆來作實驗就可以。

基礎實驗 – GPIO 控制

事實上，前一篇所講的 LED 控制就是一種 GPIO 的應用，只不過他是預先裝在板子上面的 LED 而不是自己外接的。而接下來所要講的，則是要自己動手接線路來實作的控制。

mbed LPC1768 的板子大小恰好可以插到麵包板上，並且留有左右各一排的位置可供接線使用，所以，用力把板子插到麵包板上，我們準備進行實驗囉！

上面這是 LPC1768 的腳位圖，我們今天會用到藍色標籤的部分。

GPIO 單腳 LED 輸出

#include "mbed.h"
DigitalOut LED(p5)

main()
{
    while(1)
    {
        LED = 0;
        wait(0.1);
        LED = 1;
        wait(0.1);
    }
}

一開始我們先從最簡單的單腳控制來做，這邊我把 mbed LPC1768 的 p5 腳位給了一個名字 LED，然後只做一個很簡單的事情，閃爍。

GPIO 多腳 LED 輸出 – DigitalOut

#include "mbed.h"
DigitalOut LED1(p5)
DigitalOut LED2(p6)
DigitalOut LED3(p7)
DigitalOut LED4(p8)

main()
{
    while(1)
    {
        LED1 = 0;
        LED2 = 0;
        LED3 = 0;
        LED4 = 0;
        wait(0.1);
        LED1 = 1;
        LED2 = 1;
        LED3 = 1;
        LED4 = 1;
        wait(0.1);
    }
}

p5 ~ p8 分別被命名為 LED1 ~ LED4，這是模仿上一篇文章的程式內容，動作模式也是閃爍，只不過這次是四顆 LED 閃爍。

GPIO 多腳 LED 輸出 – BusOut

#include "mbed.h"

BusOut LEDs(p5, p6, p7, p8, p9, p10, p11, p12);

main()
{
    while(1)
    {
        LEDs = 0x00;
        wait(0.1);
        LEDs = 0xFF;
        wait(0.1);
    }
}

有一位新角色在這裡初登場，先前我們都是使用 DigitalOut 來做輸出腳位與名稱的指定，但當你要指定的同時輸出腳位有 4 個以上時，這就會是一個非常煩人的事情。還好，mbed 有提供一個 BusOut 的物件可以解決這個問題。它除了可以讓你不用一直複製貼上外，還能快速指定輸出的內容，就像範例程式呈現的那樣。

還記得上一篇文章對於 port 的解釋時的表格嗎? 在這裡也可以用同樣的方式去看。

LEDs	LED1	LED2	LED3	LED4	LED5	LED6	LED7	LED8
對應腳位	p5	p6	p7	p8	p9	p10	p11	p12

如果你想看更細節的 BusOut 動作，可以用下面這個範例程式。

#include "mbed.h"

BusOut LEDs(p5, p6, p7, p8, p9, p10, p11, p12);

main()
{
    while(1)
    {
        for(int i=0; i<16; i++)
        {
            LEDs = i;
            wait(0.1);
        }
    }
}

GPIO 按鍵輸入 – DigitalIn

講完了輸出後，接下來我們即將進入輸入的部份。

#include "mbed.h"

DigitalIn press(p21);
DigitalOut LED(LED1);

int main() 
{
    while(1) 
    {
        if(press) 
        {
            LED = !LED;
        }
        wait(0.1);
    }
}

這裡出現了一位新的角色 DigitalIn ，他主要是將某一個腳位設成輸入腳位，這樣就能夠讓 mbed LPC1768 接收到外來的訊號，而不只是在內部自嗨。

在這個範例程式中，我們指定 p21 腳位為一個輸入腳，然後接上一個按鈕，這個按鈕只需要一端接上正電，另一端接到 LPC1768 的 p21 腳位即可。

當你按下按鈕時 LPC1768 上的 LED1 燈號會亮起，再點下一次便會熄滅，嘿！你的 LPC1768 可以接收到來自外界的訊號啦！

GPIO 按鍵輸入 – BusIn

既然有 BusOut 當然會有 BusIn 囉。

#include "mbed.h"

BusIn Buttons(p21, p22, p23, p24, p25, p26, p27, p28);
BusOut LEDs(p5, p6, p7, p8, p9, p10, p11, p12);

int main() 
{
    while(1) 
    {
        LEDs = Buttons;
    }
}

這個程式是一個 BusIn 對應到 BusOut 的實驗，當你接好線路並按下按鈕時，就會看到相對應位置的 LED 亮起，對應關係可以透過下面的表格來對照。

按鍵	p21	p22	p23	p24	p25	p26	p27	p28
LED	p5	p6	p7	p8	p9	p10	p11	p12

這個範例程式與對應關係的實驗應該可以讓你對 BusIn 和 BusOut 有更初步的了解。

InOut 合一

上述的所有範例都只是單方向的輸出或輸入，但 mbed 的能力不止如此。他還提供了兩個很有趣的物件，分別是 DigitalInOut 、 BusInOut。從字面上的意思可以很快的了解到，這是一個將輸出入合併在同一個或多個宣告的腳位上。

也就是說，特定的腳位在某些時候，你可以將他設為輸出，而在某些時候，你可以將他設為輸入，很有趣對吧? 接下來讓我們來看看範例程式。

#include "mbed.h"

DigitalOut led(LED1);
DigitalInOut pin(p5);

int main() 
{
    while(1)
    {
        pin.output();   // 設為輸出
        pin = 1;     
        wait(1.0);
        pin = 0;        // 重置為 0 
        wait(0.1);
        pin.input();    // 設為輸入
        while(!pin)
            led = !led;
        wait(1.0);
    }
}

這邊直接看影片會比較清楚。

在影片中前半段的小問題是因為我程式中的 1 秒延遲造成的，後面你就會看到我按下按鍵時，LPC1768 上的 LED1 燈號會亮起，然後 1 秒後滅掉，接著是按鈕上方的 LED 亮起、滅掉，之後就重複一樣的動作。在這裡的按鈕與 p5 腳位式接在一起的，你可以從畫面中看到，只有一條線接到按 LPC1768 上。

至於每次我按按鈕時 LED 都會亮起一次，那是電路接線上的關係。因為我的按鈕是接在按下時通正電的狀態，而 LED 則是有正電進入時會亮起。

BusInOut 的動作原理差不多，只差在他是一次可以接收或輸出好幾個這樣。

#include "mbed.h"

DigitalOut led(LED1);
DigitalInOut pins(p5, p6, p7);

int main() 
{
    while(1)
    {
        pins.output();   // 設為輸出
        pins = 0x03;     // p6, p7 輸出     
        wait(1.0);
        pins = 0x00;     // 重置為 0 
        wait(0.1);
        pins.input();    // 設為輸入
        if(pins == 0x06) // 如果 p5, p6 被按下
            led = !led;
        wait(1.0);
    }
}

總結

GPIO 控制是嵌入式系統開發中非常重要的一個部份，透過 GPIO 控制，嵌入式系統才能與我們人類作更多互動，例如本次範例使用的按鍵以及 LED 顯示。當然 GPIO 並不只侷限在於按鍵的輸入與 LED 的顯示，他還可以讓你控制諸如馬達、電燈、繼電器…等等需要開關的東西，也能夠接收來自不同訊號模組的資料，並透過嵌入式系統處理器處理後，再透過 GPIO 本身做你所想要的動作。

簡單來說 GPIO 是嵌入式系統核心晶片接收與傳遞他本身以外的訊息的一個方式，就如我們人類的神經系統那樣。

回到 mbed ， mbed 最有趣的地方是他的 GPIO 設定並不會非常死板，你可以很自由的把某幾隻接腳透過 BusIn/BusOut 群組起來操作，你也可以透過 InOut 合一的物件，對同一個 I/O 腳位做輸出入的控制，很酷對吧?

其實關於 GPIO 還有更多的操作與使用方式，不過這屬於比較進階的操作，在本系列文章中就不去加以介紹。如果你有興趣，可以到官方網站上查看更多資料。

• mbed Handbook Digital I/O: https://developer.mbed.org/handbook/Homepage#digital-i-o