15、GPIO与外设控制：Jetson GPIO库安装、PWM输出配置、I2C/SPI总线调试、传感器数据读取

各位同学，欢迎来到第15讲。今天我们要聊的，是嵌入式开发中最有“手感”的部分——让Jetson跟外面的世界打交道。说白了，就是控制GPIO引脚、输出PWM波、用I2C和SPI总线去读传感器数据。

我刚开始接触Jetson的时候，觉得这东西不就是个带GPU的Linux板子嘛。但真到接外设的时候，才发现坑不少。比如GPIO的权限问题、PWM的时钟配置、I2C设备地址冲突……嗯，今天咱们一个一个捋清楚。

本章核心目标：在Jetson平台上，从零搭建GPIO控制环境，实现PWM输出，掌握I2C/SPI总线调试方法，最终成功读取一个真实传感器的数据。

Jetson 外设控制知识体系 Jetson GPIO 控制 GPIO 库安装与配置 PWM 输出配置 I2C 总线调试 SPI 总线调试 传感器数据读取

15.1 Jetson GPIO 库安装

在Jetson上控制GPIO，最常用的库是 Jetson.GPIO。它跟树莓派的 RPi.GPIO 接口很像，但底层实现完全不同。我个人习惯用Python来操作，调试起来快。

安装其实很简单，但有个坑——必须用sudo。我曾经在普通用户下装了半天，结果import时报权限错误，折腾了半小时才发现是用户组没加对。

# 安装 Jetson.GPIO
sudo pip3 install Jetson.GPIO

# 添加用户到 gpio 组（重要！）
sudo usermod -aG gpio $USER

# 重启或重新登录使组生效
sudo reboot

注意：安装完成后，一定要把当前用户加到 gpio 组。否则运行脚本时会报 Permission denied。我刚开始就吃过这个亏，还以为库没装好。

验证安装是否成功，可以跑一个简单的LED闪烁程序：

import Jetson.GPIO as GPIO
import time

# 设置引脚编号模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 定义引脚（以物理引脚7为例）
led_pin = 7
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)

try:
    while True:
        GPIO.output(led_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.5)
        GPIO.output(led_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(0.5)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

嗯，这里要注意：GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 用的是物理引脚编号，而 GPIO.setmode(GPIO.TEGRA_SOC) 用的是芯片内部命名。我建议新手先用BOARD模式，不容易搞混。

15.2 PWM 输出配置

PWM（脉冲宽度调制）在电机调速、LED调光、舵机控制中非常常见。Jetson的PWM跟树莓派不太一样——它用的是硬件PWM，精度更高，但引脚是固定的。

以Jetson Nano为例，硬件PWM引脚是物理引脚32和33。我做过一个项目，用PWM控制一个舵机做云台，效果还不错。

import Jetson.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 设置PWM引脚（物理引脚32）
pwm_pin = 32
GPIO.setup(pwm_pin, GPIO.OUT)

# 创建PWM对象，频率50Hz（适合舵机）
pwm = GPIO.PWM(pwm_pin, 50)
pwm.start(0)  # 初始占空比0%

try:
    while True:
        # 从0%到100%渐变
        for duty in range(0, 101, 5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.1)
        for duty in range(100, -1, -5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()

小技巧：如果你发现PWM输出不稳定，可以检查一下Jetson的电源模式。在最大性能模式下，PWM时钟会更准确。运行 sudo nvpmodel -m 0 切换到最高性能模式。

为什么会这样？因为Jetson的PWM时钟源跟CPU频率有关。CPU降频时，PWM频率也会漂移。我遇到过舵机抖动的情况，最后发现是电源模式没设对。

15.3 I2C 总线调试

I2C是嵌入式系统中最常用的总线之一。Jetson默认有两条I2C总线，通常I2C-1接摄像头，I2C-0接扩展引脚。

调试I2C的第一步，是扫描总线上的设备。用 i2cdetect 工具：

# 安装 i2c-tools
sudo apt-get install i2c-tools

# 扫描 I2C-1 总线（通常是物理引脚3和5）
sudo i2cdetect -y -r 1

输出会显示一个地址表，有设备的地方会显示地址号。比如常见的温度传感器LM75地址是0x48，加速度计MPU6050地址是0x68。

我曾经调试一个气压传感器，怎么都读不到数据。用i2cdetect一查，发现设备地址是0x76，而我代码里写的是0x77。嗯，这种低级错误，谁还没犯过呢？

读取I2C传感器数据的Python示例：

import smbus
import time

# 创建I2C总线对象（总线1）
bus = smbus.SMBus(1)

# 假设传感器地址为0x48，寄存器0x00存温度值
address = 0x48
reg_temp = 0x00

try:
    while True:
        # 读取2字节数据
        data = bus.read_i2c_block_data(address, reg_temp, 2)
        # 转换为温度（具体转换公式看传感器手册）
        temp = (data[0] << 8 | data[1]) >> 4
        temp = temp * 0.0625
        print(f"温度: {temp:.2f} °C")
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    bus.close()

注意：I2C设备地址通常是7位，但有些库要求左移一位后的8位地址。如果读不到数据，试试把地址左移一位，比如0x48变成0x90。我在这上面浪费过一下午。

15.4 SPI 总线调试

SPI比I2C快，适合高速数据传输，比如显示屏、ADC、SD卡等。Jetson的SPI引脚是物理引脚19、21、23、24。

启用SPI需要先配置设备树。在Jetson上，可以通过 /boot/extlinux/extlinux.conf 或者 config.txt 来启用。不过更简单的方法是用 jetson-io.py 工具：

# 运行 Jetson-IO 配置工具
sudo /opt/nvidia/jetson-io/jetson-io.py

在图形界面里选择“Configure Jetson 40pin Header”，然后启用SPI。重启后，就能在 /dev 下看到 spidev0.0 或 spidev0.1 了。

测试SPI通信，可以用 spi-test 工具，或者直接写Python代码：

import spidev
import time

# 创建SPI对象
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)  # 总线0，片选0

# 设置SPI参数
spi.max_speed_hz = 1000000  # 1MHz
spi.mode = 0b00  # 模式0

# 发送数据并接收
try:
    # 发送0xAA，读取返回数据
    resp = spi.xfer2([0xAA])
    print(f"SPI响应: {hex(resp[0])}")
except Exception as e:
    print(f"SPI通信失败: {e}")
finally:
    spi.close()

调试建议：如果SPI通信不稳定，先用示波器看时钟线和数据线的波形。没有示波器的话，可以降低SPI频率试试。我遇到过因为线太长导致信号反射的问题，降到500kHz就正常了。

15.5 传感器数据读取实战

理论讲完了，咱们来个实战。我选一个最常见的传感器——DHT22温湿度传感器。它虽然用单总线协议，但我们可以用GPIO模拟时序来读取。

DHT22的时序要求比较严格，Jetson的GPIO速度足够，但要注意实时性。我建议用 time.perf_counter() 来计时，精度更高。

import Jetson.GPIO as GPIO
import time

# DHT22 数据引脚（物理引脚7）
DHT_PIN = 7
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

def read_dht22():
    # 发送起始信号
    GPIO.setup(DHT_PIN, GPIO.OUT)
    GPIO.output(DHT_PIN, GPIO.LOW)
    time.sleep(0.02)  # 至少18ms
    GPIO.output(DHT_PIN, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.00004)  # 20-40us
    
    # 切换为输入，等待响应
    GPIO.setup(DHT_PIN, GPIO.IN)
    
    # 等待DHT22拉低（响应信号）
    while GPIO.input(DHT_PIN) == GPIO.HIGH:
        pass
    
    # 读取40位数据
    data = []
    for i in range(40):
        while GPIO.input(DHT_PIN) == GPIO.LOW:
            pass
        start = time.perf_counter()
        while GPIO.input(DHT_PIN) == GPIO.HIGH:
            pass
        end = time.perf_counter()
        # 高电平持续时间决定0或1
        if (end - start) > 0.00007:
            data.append(1)
        else:
            data.append(0)
    
    # 解析数据
    humidity = (data[0] << 24 | data[1] << 16 | data[2] << 8 | data[3]) / 10.0
    temperature = (data[4] << 24 | data[5] << 16 | data[6] << 8 | data[7]) / 10.0
    checksum = data[8] << 4 | data[9]
    
    # 校验（简单校验）
    if (humidity + temperature) % 256 == checksum:
        return temperature, humidity
    else:
        return None, None

try:
    temp, hum = read_dht22()
    if temp is not None:
        print(f"温度: {temp:.1f}°C, 湿度: {hum:.1f}%")
    else:
        print("数据校验失败，请重试")
except Exception as e:
    print(f"读取错误: {e}")
finally:
    GPIO.cleanup()

关键点总结：

  • GPIO库安装后必须加用户组，否则权限不足
  • PWM输出注意电源模式，高性能模式下更稳定
  • I2C调试先用i2cdetect扫描地址，确认设备在线
  • SPI通信不稳定时，降低频率或检查接线
  • 传感器读取注意时序，用高精度计时函数

好了，这一讲的内容就到这。GPIO控制是嵌入式开发的基本功，多练几次就熟了。下次遇到外设不工作，先检查接线，再查权限，最后看时序——八成能解决问题。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

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