GPIO基础

概述

GPIO（通用输入输出）是嵌入式开发中最基础也是最重要的外设之一。YF3300-ESP32S3 开发板提供了丰富的 GPIO 资源，本章节将介绍如何使用 nanoFramework 进行 GPIO 编程，包括 LED 控制和按钮输入。

所需 NuGet 包

在 nanoFramework 项目中使用 GPIO 需要引用以下包：

包名	说明
`nanoFramework.CoreLibrary`	基础类库（通常自动包含）
`nanoFramework.System.Device.Gpio`	核心 GPIO 操作库
`nanoFramework.Runtime.Events`	事件运行时支持（下载 GPIO 核心库时自动包含）

核心概念

GpioController

GpioController 是 nanoFramework 中 GPIO 操作的核心类，负责管理所有 GPIO 引脚的初始化、读写和释放。推荐使用 using 语句确保资源正确释放：

using (var gpio = new GpioController())
{
    // 使用 GPIO 控制器进行引脚操作
}

PinMode（引脚模式）

nanoFramework 的 System.Device.Gpio 模块支持 8 种 GPIO 模式，分为输入模式和输出模式两大类：

输入模式（3种）

模式	说明	适用场景
`PinMode.Input`	浮空输入（高阻态）	外部已接上拉/下拉电阻的输入场景
`PinMode.InputPullUp`	内部上拉输入	按钮、开关，未按下时为高电平
`PinMode.InputPullDown`	内部下拉输入	按钮、开关，未按下时为低电平

输出模式（5种）

模式	说明	适用场景
`PinMode.Output`	推挽输出	LED、继电器等需要较强驱动能力的场景
`PinMode.OutputOpenDrain`	开漏输出	I2C 总线、漏极开路通信协议
`PinMode.OutputOpenDrainPullUp`	开漏+内部上拉	需要上拉电阻的开漏总线
`PinMode.OutputOpenSource`	开极输出（推挽互补）	需要低侧驱动的场景
`PinMode.OutputOpenSourcePullDown`	开极+内部下拉	需要下拉电阻的推挽总线

关于模拟输入（ADC）：nanoFramework 并未省略 ADC 功能，而是将其独立为 System.Device.Adc 模块。System.Device.Gpio 专门处理数字信号（开关量），而模拟信号读取需要使用 System.Device.Adc 模块。

PinValue（引脚值）

值	说明	电压范围（典型）
`PinValue.High`	高电平	接近 VCC（3.3V）
`PinValue.Low`	低电平	接近 GND（0V）

PinEventTypes（中断事件类型）

用于检测引脚电平变化的中断事件：

事件类型	说明
`PinEventTypes.None`	无事件
`PinEventTypes.Rising`	上升沿（低→高）
`PinEventTypes.Falling`	下降沿（高→低）

注意：.NET nanoFramework 官方定义的 PinEventTypes 枚举中没有提供“双边沿触发（Both）”选项。但双边沿触发可通过 Rising | PinEventTypes.Falling 位运算实现。

综合示例：LED 与按钮控制

硬件连接说明

LED

YF3300-ESP32S3 开发板板载 2 个 LED，均采用低电平点亮方式：

LED 名称	颜色	GPIO 引脚	功能说明
通信指示灯	黄色	GPIO40	网络状态指示（CommLED）
用户指示灯	绿色	GPIO39	用户自定义（UserLED）

按钮

YF3300-ESP32S3 开发板板载 1 个 BOOT 按钮，采用上拉输入方式：

按钮名称	GPIO 引脚	连接方式	功能说明
BOOT 按钮	GPIO0	上拉输入	系统启动/配网触发

注意：未按下时引脚为高电平，按下时为低电平。

代码示例

Led.cs

using System;
using System.Device.Gpio;
using System.Threading;

namespace GPIOTest.Drivers
{
    public class Led: IDisposable
    {
        private readonly GpioPin _pin;      // GPIO引脚
        private readonly bool _activeLow;   // 是否低电平点亮（true:低电平点亮，false:高电平点亮）
        private Timer _blinkTimer;          // 闪烁定时器
        private bool _disposed;             // 是否已释放资源
        private int _onDurationMs = 500;    // 亮灯时间（毫秒）
        private int _offDurationMs = 500;   // 熄灯时间（毫秒）

        public int PinNumber => _pin.PinNumber;      // 获取LED引脚编号
        public int OnDurationMs { get => _onDurationMs; set => _onDurationMs = value; }  // 亮灯时间
        public int OffDurationMs { get => _offDurationMs; set => _offDurationMs = value; }  // 熄灯时间

        // 构造函数，初始化LED实例
        public Led(GpioController controller,int pinNumber,bool activeLow = true)
        {
            _activeLow = activeLow;
            _pin = controller.OpenPin(pinNumber, PinMode.Output);
            Off();
        }

        // 打开LED灯
        public void On()
        {
            _pin.Write(_activeLow ? PinValue.Low : PinValue.High);
        }

        // 关闭LED灯
        public void Off()
        {
            _pin.Write(_activeLow ? PinValue.High : PinValue.Low);
        }

        // 切换LED灯状态
        public void ToggleLED()
        {
            _pin.Write(_pin.Read() == PinValue.High ? PinValue.Low : PinValue.High);
        }

        // 闪烁LED灯（使用默认时间）
        public void BlinkLED()
        {
            BlinkLED(_onDurationMs, _offDurationMs);
        }

        // 闪烁LED灯（指定亮/灭时间）
        public void BlinkLED(int onMs, int offMs)
        {
            StopBlink();
            bool isOn = false;
            _blinkTimer = new Timer(_ =>
            {
                if (isOn)
                {
                    Off();
                    if (_blinkTimer != null) _blinkTimer.Change(offMs, Timeout.Infinite);
                }
                else
                {
                    On();
                    if (_blinkTimer != null) _blinkTimer.Change(onMs, Timeout.Infinite);
                }
                isOn = !isOn;
            }, null, 0, Timeout.Infinite); // 立即开始闪烁
        }

        // 停止闪烁LED灯
        public void StopBlink()
        {
            if (_blinkTimer != null)
            {
                _blinkTimer.Dispose();
                _blinkTimer = null;
            }
        }

        // 释放资源
        public void Dispose()
        {
            if (!_disposed)
            {
                StopBlink();
                if(_pin != null)
                {
                    _pin.Dispose();
                }
                _disposed = true;
            }
        }
    }
}

Button.cs

using System;
using System.Device.Gpio;
using System.Threading;

namespace GPIOTest.Drivers
{
    // 按钮回调委托
    public delegate void ButtonCallback(int pinNumber, bool isPressed);

    public class Button : IDisposable
    {
        private readonly GpioPin _pin;          // GPIO引脚
        private readonly bool _activeLow;       // 是否低电平有效（true:按下低电平，false:释放高电平）
        private bool _disposed;                 // 是否已释放资源
        private Timer _initTimer;               // 初始化延迟定时器
        private ButtonCallback _callback;       // 按钮状态变化回调

        public int PinNumber => _pin.PinNumber;    // 获取按钮引脚编号
        
        public bool IsPressed => _activeLow ? _pin.Read() == PinValue.Low 
                                           : _pin.Read() == PinValue.High;  // 获取按钮当前状态

        // 构造函数，初始化按钮实例
        public Button(GpioController controller, int pinNumber, ButtonCallback callback, bool activeLow = true, PinMode pinMode = PinMode.InputPullUp)
        {
            _activeLow = activeLow;
            _callback = callback;
            _pin = controller.OpenPin(pinNumber, pinMode);
            
            // 延迟订阅事件，等待引脚状态稳定
            _initTimer = new Timer(InitCallback, null, 100, Timeout.Infinite);
        }

        // 延迟初始化回调
        private void InitCallback(object state)
        {
            if (_disposed) return;
            _pin.ValueChanged += OnPinValueChanged;
            _initTimer.Dispose();
            _initTimer = null;
        }

        // GPIO引脚值变化事件处理
        private void OnPinValueChanged(object sender, PinValueChangedEventArgs e)
        {
            if (_disposed) return;
            
            // 低电平有效：Falling=按下，Rising=释放；高电平有效：相反
            bool isPressed = _activeLow ? (e.ChangeType == PinEventTypes.Falling) 
                                       : (e.ChangeType == PinEventTypes.Rising);
            
            _callback?.Invoke(PinNumber, isPressed);
        }

        // 释放资源
        public void Dispose()
        {
            if (_disposed) return;
            _disposed = true;
            
            if (_initTimer != null)
            {
                _initTimer.Dispose();
            }
            
            _pin.ValueChanged -= OnPinValueChanged;
            _pin.Dispose();
        }
    }
}

Program.cs

using System;
using System.Device.Gpio;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using GPIOTest.Drivers;

namespace GPIOTest
{
    public class Program
    {
        // 硬件引脚定义（参考YF3300_ESP32S3硬件配置）
        private const int YellowLEDPin = 40;  // 黄色LED - 网络状态指示
        private const int GreenLEDPin = 39;   // 绿色LED - 配网状态指示
        private const int ButtonPin = 0;       // 按钮引脚

        public static void Main()
        {
            Debug.WriteLine("=== LED双闪测试开始 ===");
            
            using (var gpio = new GpioController())
            {
                // 初始化黄色LED（快闪：亮500ms，熄灭1500ms）
                var yellowLed = new Led(gpio, YellowLEDPin, activeLow: true);
                Debug.WriteLine($"黄色LED (GPIO{YellowLEDPin}) - 快闪模式");
                yellowLed.BlinkLED(onMs: 500, offMs: 1500);

                // 初始化绿色LED（慢闪：亮200ms，灭200ms）
                var greenLed = new Led(gpio, GreenLEDPin, activeLow: true);
                Debug.WriteLine($"绿色LED (GPIO{GreenLEDPin}) - 慢闪模式");
                greenLed.BlinkLED(onMs: 200, offMs: 200);

                // 初始化按钮，控制LED开关
                var button = new Button(gpio, ButtonPin, OnButtonChanged);
                Debug.WriteLine($"按钮 (GPIO{ButtonPin}) - 就绪");

                Thread.Sleep(Timeout.Infinite);
            }
        }

        // 按钮状态变化回调
        private static void OnButtonChanged(int pinNumber, bool isPressed)
        {
            if (isPressed)
            {
                Debug.WriteLine($"按钮按下 - 引脚{pinNumber}");
            }
            else
            {
                Debug.WriteLine($"按钮释放 - 引脚{pinNumber}");
            }
        }
    }
}

概述​

所需 NuGet 包​

核心概念​

GpioController​

PinMode（引脚模式）​

输入模式（3种）​

输出模式（5种）​

PinValue（引脚值）​

PinEventTypes（中断事件类型）​

综合示例：LED 与按钮控制​

硬件连接说明​

LED​

按钮​

代码示例​

Led.cs​

Button.cs​

Program.cs​

概述