使用文件 I/O 操作硬件 —— 从 LED 到温湿度传感器

@[TOC] 使用文件 I/O 操作硬件 ------ 从 LED 到温湿度传感器

🎉 写给急于控制硬件的你 ：本章教你 在 Qt 图形界面中控制 LED （通过两种方法：sysfs 和专用驱动），以及 读取温湿度传感器 DHT11 。我们不讲复杂的驱动编写，只讲 如何调用已有的接口 ，让你快速实现硬件交互。每个知识点都有 白话解释 、生活化类比 、完整代码 和 避坑指南。

1. 硬件操作的两条路 ------ 用户态与内核态

1.1 一句话白话

在 Linux 中操作硬件有两条路：

用户态直接操作 ：通过 /sys 或 /dev 下的文件，用 open/read/write 控制硬件（如 GPIO sysfs）。
内核驱动中转 ：驱动程序提供专用的设备节点（如 /dev/100ask_led），应用层同样用文件接口调用。

1.2 生活化类比 🏦

GPIO sysfs：就像去政府柜台办事，流程公开但步骤繁琐（先 export，再设方向，再写值）。
专用驱动：就像找了代办中介，你只需要说"开灯"，中介帮你搞定一切（封装好的接口）。

1.3 两种方法对比表

特性	GPIO sysfs	专用驱动
需要硬件知识	需要知道引脚编号、方向	不需要
操作步骤	多步（export → direction → value）	一步（write /dev/xxx）
中断支持	不支持	支持
适用场景	简单输出/输入	复杂外设（如传感器、LED 灯带）
可移植性	依赖内核配置	依赖驱动是否编译

2. GPIO sysfs 操作 LED ------ 用户态直接控制

2.1 先体验：查看系统中的 GPIO

Linux 内核将 GPIO 控制器暴露在 /sys/class/gpio 下。执行以下命令查看：

bash

复制代码

ls /sys/class/gpio/gpiochip* -d

输出示例：

text

复制代码

/sys/class/gpio/gpiochip0
/sys/class/gpio/gpiochip32
/sys/class/gpio/gpiochip64
...

每个 gpiochipX 代表一个 GPIO 控制器（Bank）。查看它的详细信息：

bash

复制代码

cat /sys/class/gpio/gpiochip0/label   # 显示硬件名称，如 "209c000.gpio"
cat /sys/class/gpio/gpiochip0/ngpio   # 显示该控制器有多少引脚

查看所有 GPIO 的使用情况（需要内核开启 debugfs）：

bash

复制代码

cat /sys/kernel/debug/gpio

输出中会列出每个引脚的当前方向和值。

💡 白话：gpiochip 就像一排排的插座，每个插座有编号。你要用的 LED 插在哪个插座上，就需要知道它的 全局编号。

2.2 确定 LED 的 GPIO 编号（以 IMX6ULL 为例）

开发板 LED 通常连接在某个 GPIO 引脚上。例如原理图中 LED 使用 GPIO5_3。

计算公式（对于 IMX6ULL 这类 32 引脚 per Bank 的芯片）：

text

复制代码

编号 = (Bank号 - 1) × 32 + 引脚号

GPIO5_3：Bank=5，引脚=3 → 编号 = (5-1)×32 + 3 = 4×32 + 3 = 131

⚠️ 注意：不同芯片公式可能不同，请查阅数据手册。最可靠的方法是：找到对应 Bank 的 gpiochip 的 base 值，然后加上偏移量。

2.3 通过 sysfs 控制 LED 的步骤（命令行验证）

bash

复制代码

# 1. 导出引脚（让内核创建对应的文件）
echo 131 > /sys/class/gpio/export

# 2. 设置方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio131/direction

# 3. 输出高电平（点亮 LED，取决于硬件极性）
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio131/value

# 4. 输出低电平（熄灭）
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio131/value

# 5. 使用完后解除导出（可选）
echo 131 > /sys/class/gpio/unexport

2.4 在 Qt 程序中封装 GPIO 操作

我们需要在 Qt 项目中添加两个文件：led.h 和 led.cpp，封装初始化和控制函数。

2.4.1 代码：led.h

cpp

复制代码

#ifndef LED_H
#define LED_H

void led_init(void);      // 导出引脚并设为输出
void led_control(int on); // on=1 点亮, on=0 熄灭

#endif // LED_H

2.4.2 代码：led.cpp（使用 sysfs）

cpp

复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <QDebug>

#define GPIO_NUM 131

void led_init(void)
{
    int fd;

    // 1. 导出 GPIO
    fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        qDebug() << "open /sys/class/gpio/export failed";
        return;
    }
    char buf[16];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%d\n", GPIO_NUM);
    write(fd, buf, strlen(buf));
    close(fd);

    // 2. 设置方向为输出
    char path[64];
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/gpio/gpio%d/direction", GPIO_NUM);
    fd = open(path, O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        qDebug() << "open" << path << "failed";
        return;
    }
    write(fd, "out\n", 4);
    close(fd);
}

void led_control(int on)
{
    static int fd = -1;   // 保持打开，避免每次重复 open
    char path[64];
    if (fd == -1) {
        snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/gpio/gpio%d/value", GPIO_NUM);
        fd = open(path, O_RDWR);
        if (fd < 0) {
            qDebug() << "open" << path << "failed";
            return;
        }
    }

    // 注意：根据实际硬件，可能 1 是灭，0 是亮，此处假设 1 为亮
    if (on)
        write(fd, "1\n", 2);
    else
        write(fd, "0\n", 2);
}

2.4.3 在 Qt 项目中添加文件并配置 .pro

将 led.h 和 led.cpp 放入项目源码目录。
在 .pro 文件中添加：

qmake
复制代码
```
SOURCES += led.cpp
HEADERS += led.h
```
由于 led.cpp 中使用了系统头文件（fcntl.h 等），它们位于交叉编译工具的 sysroot 下。如果编译时报错找不到头文件，需要在 .pro 中添加：

qmake
复制代码
```
INCLUDEPATH += /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include
```
（路径根据你的开发板 SDK 实际位置修改）

💡 为什么需要 INCLUDEPATH？ 因为 Qt Creator 默认不会自动添加交叉编译工具链的标准头文件路径，需要手动指定。

2.4.4 在 mainwindow 中调用

在 mainwindow.cpp 的按钮槽函数中调用：

cpp

复制代码

#include "led.h"

void MainWindow::on_pushButton_clicked()  // 点亮按钮
{
    led_control(1);
    qDebug() << "LED on";
}

void MainWindow::on_pushButton_2_clicked() // 熄灭按钮
{
    led_control(0);
    qDebug() << "LED off";
}

别忘了在 main() 中调用 led_init()：

cpp

复制代码

int main(int argc, char *argv[])
{
    led_init();   // 初始化 GPIO
    QApplication a(argc, argv);
    MainWindow w;
    w.show();
    return a.exec();
}

2.5 上机实验步骤

编译 Qt 程序，生成 ARM 可执行文件 LED_and_TempHumi。
上传到开发板：

bash
复制代码
```
adb push LED_and_TempHumi /root
```
关闭开发板上可能已经运行的旧版本 Qt 程序（否则设备节点被占用）：

bash
复制代码
```
adb shell
ps | grep LED_and_TempHumi   # 查看 PID，例如 341
kill -9 341
```

设置环境变量 并运行：

bash

复制代码

export QT_QPA_GENERIC_PLUGINS=tslib:/dev/input/event1
export QT_QPA_PLATFORM=linuxfb:fb=/dev/fb0
export QT_QPA_FONTDIR=/usr/lib/fonts/
/root/LED_and_TempHumi

点击按钮，观察 LED 亮灭。

2.6 常见错误与解决

错误现象	可能原因	解决方法
`open /sys/class/gpio/export: Permission denied`	权限不足	用 root 用户运行程序，或 `chmod 666` 相关文件
`write: Device or resource busy`	GPIO 已被占用（如被其他驱动使用）	检查 `/sys/kernel/debug/gpio`，或卸载冲突驱动
编译时报 `fatal error: sys/types.h: No such file or directory`	INCLUDEPATH 未设置或路径错误	确认交叉编译工具链的 sysroot 路径，并添加到 .pro
按钮点击后 LED 无反应	硬件极性相反（1 灭 0 亮）	修改 `led_control` 中的写入值
开发板运行后屏幕黑屏	屏幕保护触发	执行 `echo -e "\033[9;0]" > /dev/tty0`

3. 通过专用驱动程序操作 LED ------ 更简洁的接口

3.1 为什么要用驱动？

不需要知道 GPIO 编号和方向。
驱动可以封装更复杂的逻辑（如呼吸灯、闪烁频率）。
避免 sysfs 多步骤操作。

3.2 编译 LED 驱动

开发板厂家通常会提供 LED 驱动源码。进入驱动目录（如 01_led_imx6ull），执行 make 编译：

bash

复制代码

cd ~/Desktop/01_led_imx6ull
make

Makefile 内容大致如下（根据你的开发板修改 KERN_DIR）：

makefile

复制代码

KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Buildroot_2020.02.x/output/build/linux-origin_master

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=$(pwd) modules
    $(CROSS_COMPILE)gcc -o led_test led_test.c

clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=$(pwd) modules clean
    rm -rf modules.order led_test

obj-m += led_drv.o

⚠️ 注意：如果使用 Mini 开发板，需要修改 KERN_DIR 为对应路径。

3.3 测试驱动

将生成的 led_drv.ko 和 led_test 通过 ADB 上传到开发板：

bash

复制代码

adb push led_drv.ko /root
adb push led_test /root

在开发板上执行：

bash

复制代码

# 先停止可能占用引脚的 Qt 程序
mv /etc/init.d/S99myqt /root   # 备份自启动脚本
reboot

# 重启后加载驱动
insmod /root/led_drv.ko
ls /dev/100ask_led   # 应该看到设备节点

# 测试
/root/led_test 0 on    # 点亮 LED
/root/led_test 0 off   # 熄灭

3.4 修改 Qt 程序使用驱动

只需要修改 led.cpp，把 sysfs 操作替换为打开 /dev/100ask_led 并写入数据。

代码：led.cpp（使用驱动）

cpp

复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <QDebug>

static int fd = -1;

void led_init(void)
{
    fd = open("/dev/100ask_led", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        qDebug() << "open /dev/100ask_led failed";
    }
}

void led_control(int on)
{
    if (fd < 0) return;
    char buf[2] = {0, 0};   // buf[0] 保留，buf[1] 为 0 亮 1 灭（取决于驱动定义）
    if (on)
        buf[1] = 0;
    else
        buf[1] = 1;
    write(fd, buf, 2);
}

💡 驱动定义的协议：write(fd, buf, 2)，第二个字节表示状态。不同驱动可能不同，请参考 led_test.c。

3.5 开机自动加载驱动

修改开发板启动脚本 /etc/init.d/rcS，在开头添加：

bash

复制代码

#!/bin/sh

insmod /root/led_drv.ko   # 加载 LED 驱动
# ... 原有内容

重启后，Qt 程序就可以直接使用 /dev/100ask_led。

4. 温湿度传感器 DHT11 ------ 多线程实时读取

4.1 DHT11 简介

DHT11 是一款单总线数字温湿度传感器，一次通信读取 40 位数据（16 位湿度、16 位温度、8 位校验）。内核驱动已经帮我们完成了复杂的时序，应用层只需要读 /dev/mydht11 即可获得两个字节：湿度（0_{100%）和温度（0}50°C）。

4.2 编译 DHT11 驱动

进入驱动目录 02_dht11_drv_imx6ull，执行 make：

bash

复制代码

cd ~/Desktop/02_dht11_drv_imx6ull
make

Makefile 关键部分：

makefile

复制代码

KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Buildroot_2020.02.x/output/build/linux-origin_master

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=$(pwd) modules
    $(CROSS_COMPILE)gcc -o dht11_test dht11_test.c

obj-m := dht11_drv.o

4.3 测试驱动

bash

复制代码

adb push dht11_drv.ko /root
adb push dht11_test /root

adb shell
insmod /root/dht11_drv.ko
ls /dev/mydht11
/root/dht11_test /dev/mydht11

输出示例：

text

复制代码

get Humidity: 76, Temperature : 31
get Humidity: 51, Temperature : 30
...

4.4 在 Qt 中集成 DHT11 ------ 使用线程

因为温湿度需要每隔 1 秒读取一次，且不能阻塞 GUI 主线程，所以需要创建一个 继承自 QThread 的线程类。

4.4.1 创建线程头文件 dht11_thread.h

cpp

复制代码

#ifndef DHT11_THREAD_H
#define DHT11_THREAD_H

#include <QThread>
#include <QLabel>

class DHT11Thread : public QThread
{
    Q_OBJECT
public:
    void run() override;
    void SetLabels(QLabel *labelHumi, QLabel *labelTemp);

private:
    QLabel *labelHumi;
    QLabel *labelTemp;
};

#endif // DHT11_THREAD_H

4.4.2 线程实现 dht11_thread.cpp

cpp

复制代码

#include "dht11_thread.h"
#include "dht11.h"      // 封装了对 /dev/mydht11 的读写
#include <QDebug>

void DHT11Thread::run()
{
    char humi, temp;
    char buf[20];

    dht11_init();   // 打开设备

    while (1) {
        if (0 == dht11_read(&humi, &temp)) {
            // 更新湿度标签
            snprintf(buf, sizeof(buf), "%d%%", (unsigned char)humi);
            labelHumi->setText(buf);

            // 更新温度标签
            snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", (unsigned char)temp);
            labelTemp->setText(buf);
        }
        msleep(1000);   // 每秒读取一次
    }
}

void DHT11Thread::SetLabels(QLabel *labelHumi, QLabel *labelTemp)
{
    this->labelHumi = labelHumi;
    this->labelTemp = labelTemp;
}

4.4.3 封装 DHT11 设备操作 dht11.h 和 dht11.cpp

dht11.h

cpp

复制代码

#ifndef DHT11_H
#define DHT11_H

void dht11_init(void);
int dht11_read(char *humi, char *temp);

#endif // DHT11_H

dht11.cpp

cpp

复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <QDebug>

static int fd = -1;

void dht11_init(void)
{
    fd = open("/dev/mydht11", O_RDWR | O_NONBLOCK);
    if (fd < 0) {
        qDebug() << "open /dev/mydht11 failed";
    }
}

int dht11_read(char *humi, char *temp)
{
    char buf[2];
    if (fd < 0) return -1;
    if (read(fd, buf, 2) == 2) {
        *humi = buf[0];
        *temp = buf[1];
        return 0;
    }
    return -1;
}

4.4.4 修改主窗口类，提供获取 Label 的方法

在 mainwindow.h 中添加两个成员变量和 Getter 函数：

在 mainwindow.cpp 的构造函数中，从 UI 中找到对应的 Label 控件并保存：

💡 注意："label" 和 "label_2" 是在 UI 设计时给控件设置的 objectName，请根据实际名称修改。

4.4.5 在 main.cpp 中启动线程

4.5 修改 .pro 文件添加新文件

qmake

复制代码

SOURCES += \
    led.cpp \
    dht11.cpp \
    dht11_thread.cpp \
    main.cpp \
    mainwindow.cpp

HEADERS += \
    led.h \
    dht11.h \
    dht11_thread.h \
    mainwindow.h

# 如果之前添加了 sysroot 路径，保留
INCLUDEPATH += /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include

4.6 上机实验

确保 dht11_drv.ko 和编译好的 LED_and_TempHumi 都在开发板的 /root 目录。

修改 /etc/init.d/rcS，添加加载 DHT11 驱动：

bash

复制代码

insmod /root/led_drv.ko      # 如果使用驱动方式
insmod /root/dht11_drv.ko

重启开发板，等待 Qt 界面出现，温湿度数值应该每秒刷新一次。
如果数值不更新，检查：
- DHT11 模块是否正确连接（DATA 引脚接在开发板指定 GPIO 上，驱动已配置好）。
- 执行 ls /dev/mydht11 确认设备节点存在。
- 手动运行 dht11_test 测试驱动是否正常。

5. 完整速查表 📋

5.1 GPIO sysfs 常用操作

操作	命令
导出引脚	`echo N > /sys/class/gpio/export`
设置方向	`echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction`
写高电平	`echo 1 > /sys/class/gpio/gpioN/value`
写低电平	`echo 0 > /sys/class/gpio/gpioN/value`
读取输入	`cat /sys/class/gpio/gpioN/value`
解除导出	`echo N > /sys/class/gpio/unexport`

5.2 驱动操作速查

设备	设备节点	驱动文件	测试命令
LED 驱动	`/dev/100ask_led`	`led_drv.ko`	`led_test 0 on/off`
DHT11 驱动	`/dev/mydht11`	`dht11_drv.ko`	`dht11_test /dev/mydht11`

5.3 Qt 线程要点

步骤	代码
继承 QThread	`class MyThread : public QThread`
重写 run()	`void run() override`
启动线程	`thread.start()`
线程中更新 UI	通过信号槽或直接调用 `setText`（注意线程安全）
延时	`msleep(milliseconds)`

5.4 环境变量（开发板运行 Qt 程序）

变量	值	作用
`QT_QPA_PLATFORM`	`linuxfb:fb=/dev/fb0`	使用帧缓冲显示
`QT_QPA_GENERIC_PLUGINS`	`tslib:/dev/input/event1`	触摸屏支持
`QT_QPA_FONTDIR`	`/usr/lib/fonts/`	字体目录

6. 扩展学习建议 🚀

深入学习 sysfs ：研究 /sys/class/gpio 下的其他文件（active_low, edge 等），实现按键中断检测。
编写自己的驱动 ：参考 led_drv.c 和 dht11_drv.c，学习字符设备驱动框架。
使用设备树：了解如何在设备树中描述 GPIO 和 I2C 设备，让驱动自动匹配。
Qt 自定义控件：将温湿度数值用进度条或仪表盘显示，提升界面美观度。

🎉 恭喜！你已经学会在 Qt 中通过文件 I/O 控制 LED 和读取温湿度传感器。下一步，你可以将这些硬件操作封装成更友好的界面，或者通过 MQTT 将数据上传到云端。