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

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

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

输出示例：

text

/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

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

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

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

# 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

#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

#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

1. 将led.h和led.cpp放入项目源码目录。

2. 在.pro文件中添加：

   qmake

   SOURCES += led.cpp HEADERS += led.h

3. 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

   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

#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

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

1. 编译Qt 程序，生成 ARM 可执行文件LED_and_TempHumi。

2. 上传到开发板：
   

   bash

   adb push LED_and_TempHumi /root

3. 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

   adb shell ps | grep LED_and_TempHumi # 查看 PID，例如 341 kill -9 341

4. 设置环境变量并运行：

   bash

   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

5. 点击按钮，观察 LED 亮灭。

2.6 常见错误与解决

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

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

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

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

在开发板上执行：

bash

# 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

#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

#!/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

cd ~/Desktop/02_dht11_drv_imx6ull make

Makefile 关键部分：

makefile

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

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

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

#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

#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

#ifndef DHT11_H #define DHT11_H void dht11_init(void); int dht11_read(char *humi, char *temp); #endif // DHT11_H

dht11.cpp

cpp

#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

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

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

2. 修改/etc/init.d/rcS，添加加载 DHT11 驱动：

   bash

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

3. 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。

4. 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

5.2 驱动操作速查

5.3 Qt 线程要点

5.4 环境变量（开发板运行 Qt 程序）

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。