Jetbot实战系列05：Jetson的40针引脚

嵌入式设备有个天生赋予的重点任务，就是要成为自动控制整体方案中的一员。早期市场对自动控制的需求主要集中在单纯的“机电控制”上，而具备智能计算的Jetson系列产品相对与几十元的这类控制板来说，成本是高出一个阶位。

但是随着“智能+控制”的结合功能成为新工业主流需求之后，成本已经不是最首要的关键因素，因为智能设备所带来的价值已经远远超过先前的成本差异。NVIDIA Jetson设备就是在这样的风潮下逐渐崭露头角，为智能工业带来新的生命力。

透过“扩充引脚”的方式与机电控制设备进行对接，是绝大部分嵌入式设备所采用的方法。NVIDA在2015年的Jetson TK1产品就已经配置了这方面的引脚，经历了TX1/TX2到AGX Xavier的阶段，依旧保有这方面的接口（如下图），一直到2019年Jetson Nano推出之后，采用与树莓派兼容的40针引脚的设计，在战略上是个非常高明的设计。

过去10年是创客(maker)兴盛的年代，而树莓派凭借“硬件开源”的风潮吸引庞大的民间实力，开发了相当齐全的周边产品，下表是比较常用的一部分设备清单，全部都是基于树莓派40针引脚定义所设计。

如今Jetson Nano（含2GB）、Xavier NX等开发套件的引脚也兼容于树莓派的定义时，就表示上面列表中的周边设备，都能直接适用于现在主流的Jetson开发套件，不仅无需依赖中间的转换器，包括代码也可以不需要修改，就能将原本不具备深度学习能力的树莓派方案，立即移植到NVIDIA的智能Jetson设备上，马上变成是“智能控制”的应用设备，实用价值瞬间就提高一个档次。

本文属于Jetbot系列中的一环，不过在进入与周边设备(PiOLED、PCA9685等)对接之前，有必要让初学者对Jetson的40针引脚的细节与使用有进一步的了解，因为Jetbot是一个经典的项目，但更重要是要能初学者可以自行搭建更多的应用。

过去缺乏智能识别能力的创客项目，多属于较为单调的固定执行流程的应用，但是有了NVIDIA Jetson的智能识别能力之后，就能让这类项目变得非常多彩多姿，并且更加贴近生活或工作上的实用场景，例如根据垃圾分类识别后进行处理的机械手臂、根据猫脸识别后对特定猫开启喂食器、根据水果成熟度进行采摘等应用，都是实用价值非常高的，这才是真正智能设备的创造动力。

网上有不少探索Jetson这40根引脚的文章，但内容相对笼统并且有些部分的混淆，对初学者来说会产生障碍。本文的重点就是将以下三个部分讲解清楚：

1. 40根引脚的SPIO与GPIO；
2. Jetson-IO工具与Jetson.GPIO开发库
3. 四种GPIO引脚调用模式：BOARD、BCM、CVM、TEGRA_SOC

只要将这三个关系捋清楚后，整个40针引脚的使用就会瞬间变得非常简单。假如上述三个关系您都很熟悉了，就可以跳过本文的内容；如果还没搞清楚的，请仔细阅读本文，能让您很有条理地掌握这些引脚的使用要领。

• 40针引脚的SPIO与GPIO

下图是Jetson的40帧引脚图的说明，适用于Nano（含2GB）、Xavier NX与AGX Xavier等开发套件。虽然上面满满的内容，乍看之下的确令人眼花缭乱，只要看完我们所作的分解之后，就会让这部分的内容变得非常简单。

首先，虽然大家平常时候习惯将这些引脚统称为GPIO，但事实上这40根引脚主要分成GPIO(General Purpose I/O)通用功能与SFIO(Special Function I/O)特定功能两大类，后者总共有18根与开发套件底板电子电力直连的脚位，这是不能重新定义的固定功能，主要分为以下三种：

1. 供电相关：这个部分需要 非常细心处理，如果错用可能会造成Jetson设备损坏。这里也进一步分成三种功能：
   1. 5V直流电输入/输出：脚位[ 2, 4]，在标识上唯一使用“红色”的地方，可以对Jetson开发套件作为“供电”用途，有些Jetbot第三方套件就是用这种方式对Nano（含2GB）进行供电，不过这些都是专业厂商自行设计的电路，如果不太熟悉供电原理的读者，请勿随意尝试以避免对设备造成破坏。

这两个接脚也能对5.0V规格的周边设备进行供电，但是非常不推荐这样使用，因为Jetson本身的电力已经处于吃紧状态，如果再对其他设备提供5V输出，很可能影响整体稳定性。

2. 2. 3.3V直流电输出：脚位[ 1, 17]，可以为一些低电设备进行供电。例如在Jetbot项目中使用的PiOLED与PCA9685，就是由Nano（含2GB）的3.3V供电口对这两个元件进行供电。
   3. GND接地点：脚位[ 6, 9, 14, 20, 25,30, 34, 39]共8个。
3. 二组I2C：I2C1_SDA/SCL=>脚位[27, 28]；I2C2_SDA/SCL => 脚位[ 3, 5]
4. 一组UART：UART2_TX/RX=>脚位[ 8, 10]

这样一整理之后，是不是就变得很简单了？撇开电源相关的12根脚位之外，真正需要了解的，就是两组I2C与一组UART共6个脚位，这18根脚位的定义与树莓派是完全一致。在Jetbot项目中也就使用1组3.3V/GND电源与1组I2C的SDA/SCL而已，总共4根引脚就能完成智能车的任务。

如果原本树莓派创客项目中只使用这类的I2C或UART引脚的话，几乎不需修改代码就能将原本的应用移植到Jetson Nano（含2GB）设备上，立刻升级为智能识别的应用，所展现的价值就马上提高一个台阶。

至于另外22根“可重新定义”脚位，才是很多网上所探索的 ”GPIO” 内容，其实正确的说法应该是“Jetson的22根GPIO引脚使用”才对，不过这里就不去纠正这些小问题，重点在于让大家更清楚剩下这22根引脚的用法。

事实上这些引脚也有两种处理方式：

1. 透过Jetson-IO工具将特定引脚设置成为SFIO用途，然后配合特定的开发库；
2. 作为GPIO用途，透过Jetson.GPIO或其他开发库直接调用

网上大部分的混淆就在这个Jetson-IO工具与Jetson.GPIO库，前者是Jetpack自带的底层系统引脚配置工具，后者是针对GPIO引脚的应用层开发库，二者之间是不仅完全独立的，甚至某种角度上还有些许“互斥”的关系。

接下去带着大家将这两个工具认识清楚，这样日后的开发就会非常简单。

• Jetson-IO引脚配置工具

前面已经清楚在40根引脚中有18根是固定好不能重新定义，剩下的问题就是如何处理这22根“可重新定义”的引脚，是否有什么工具可以协助我们确认目前所有脚位的状态呢？这就是Jetson-IO的主要工作了，请执行以下指令，看看显示怎样的结果？

$	sudo /opt/nvidia/jetson-io/config-by-pin.py

是否看到显示从1到40的状态？核对一下，是不是除了前面所说18个SFIO位置之外的22个引脚，都显示 ”unused” 状态？这些呈现 ”unused” 的脚位就是GPIO的状态，能用Jetson.GPIO库直接指派与调用。

如果要对这22个脚位进行重新定义，该使用什么方法来操作？Jetson-IO工具就是扮演“配置脚位功能”的角色，这是NVIDIA从L4T 32.3版本开始，提供可以修改引脚定义的工具，在Jetpack烧录过程就编译到开发套件的 /opt/nvidia/jetsion-io目录下，这是属于系统底层的配置工具。

因为设备所有I/O的默认配置是静态定义的，早期要更改40针扩展引脚定义时置，必须使用相应平台的pinmux电子表格去更新管脚配置，然后将新配置烧回开发套件中，虽然这是更新系统的一种适当方法，但在开发的阶段，需要一种更方便的方法，来测试不同的管脚配置。

Jetson-IO工具就是要简化40针引脚I/O配置的修改任务，提供一套基于Python的简单代码，最终会将修改的内容写入设备树(DTB, Device Tree, Blob)固件，重启设备就能让新的设置生效，非常方便。

如果想要修改前面所提到的22根脚位定义，最轻松的方法就是执行以下步骤：

$	sudo /opt/nvidia/jetson-io/jetson-io.py

进入主菜单后，选择下面的 ”Configure 40-pin expansion header”，就会出现以下选择菜单视窗，透过“上下键”与“空键”选择要设定的组：

这里是根据“功能”的提供脚位组合，所定义的脚位与前面40针引脚定义图是完全对应的，也就是说在18根SFIO以外的脚位，必须经过Jetson-IO的配置之后，才会具备引脚图中的功能，但这个步骤并未出现在任何说明文件或网上教程之中，导致很多初学者完全无法理会其中的奥秘，我们在这里为大家打开这个黑箱子。

现在试着启动spi1组设置，Jetson-IO工具会同时配置后面的5个脚位。设置完毕后选择 ”Save and reboot to reconfigure pins”，重启系统之后再执行：

$	sudo /opt/nvidia/jetson-io/config-by-pin.py

是否看到脚位[ 19, 21, 23, 24, 26]的状态，现在都出现 ”spi1” 的标识了?

在/opt/nvidia/jetson-io/目录下还有config-by-function.py、config-by-pin.py与config-by-hardware.py三个工具，根据不同目的查询与设置GPIO接脚属性。详细的内容请至https://docs.nvidia.com/jetson/archives/l4t-archived/l4t-325/index.html里 ”Hardware Setup” 的 ”Configuring the 40-Pin Expansion Header”，有完整的使用说明。

• Jetson.GPIO应用开发库

这是属于应用级的开发库，是针对“未被Jetson-IO设置为SPIO”的GPIO引脚进行配置与运作的应用库。

例如引脚19在前面Jetson-IO配置为spi1功能之前，就是作为GPIO功能，可以用Jetson.GPIO库去指派与调用；但是经过spi1配置并重启之后，引脚19已经属于SFIO而非GPIO，这时候如果用Jetson.GPIO库去指定这个引脚，就不会产生作用。

前面提过“从某种角度来说Jetson.GPIO与Jetson-IO是互斥的”，道理就在这个地方，一旦被Jetson-IO配置并启动的脚位，就不再属于GPIO的功能了。

这个Jetson.GPIO开发库并不在Jetpack安装包里，因此需要手动安装与从github上下载范例代码。下面指令可以简单安装这个库：

$	sudo pip3 install Jetson.GPIO

如果想要获得这个开发库的范例，就执行以下指令：

$ $	cd ~ && git clone https://github.com/NVIDIA/jetson-gpio cd jetson-gpio/samples

这里的范例都需要结合一些很基本的电子实验设备，例如面包板、LED灯、杜邦线、小电阻、小电容之类的设备，实验内容非常简单，请自行采购相关元件并跟着说明执行就可以，这里不做这些范例的讲解。

至于还有些环境变量配置问题，也请参考开源项目内的说明，不过在Jetbot项目中都已经调试好了。

• 四种GPIO引脚调用模式

这是最后一个容易造成混淆的部分，因为作为GPIO用途的脚位有四种调用的模式，这也是因为过去长年积累的兼容性问题所导致的，不过只要搞清楚之后也都不是大问题。

在代码一开始的时候，需要使用 ”GPIO.setmode(GPIO_MODE)” 指令进行模式的指定，其中 ”GPIO_MODE” 可以是以下四种：

1. GPIO.BOARD：这种模式的引脚是根据 ”1~40” 的物理编号进行指定，是最简单易懂的方式，不过必须注意得避开已经设置为SFIO的引脚。例如：

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

GPIO.setup(12, GPIO.IN)                      # 设置12号引脚为输入

GPIO.setup(13, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH) # 设置13号引脚为输出

这是最直观而且简单的模式，推荐初学者使用！

2. GPIO.BCM：这种编号是因为控制芯片主要来自于博通(Broadcom)公司，而他们自定义了一组BCM编码方式，在Jetson Nano（含2GB）开发套件的针脚位背面所印刷的 ”Dxx” 编号（如下图），就是BCM的编码。

 

下面是简单的调用方法，不过指定的脚位是根据BCM编码原则：

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(12, GPIO.IN)    # 设置D12(BOARD的32)脚位为输入

GPIO.setup(13, GPIO.OUT)  # 设置D13(BOARD的33)脚位为输出

很多传统树莓派的项目里习惯使用BCM编码，仔细对照就能轻易理解。

3. GPIO.CVM与GPIO.TEGRA_SOC：这两种模式使用各GPIO管脚命名的字符串，作为设置引脚的参数，其中CVM是根据 CVM/CVB连接器信号名称命名，TEGRA_SOC是根据Tegra SoC中信号名称来命名的。例如：

GPIO.setmode(GPIO.TEGRA_SOC)

GPIO.setup('SPI1_SCK', GPIO.IN)      # 设置BOARD的23脚位为输出

GPIO.setup('SPI1_MISO', GPIO.OUT)  # 设置BOARD的21脚位为输出

• 结语

过去大家对于NVIDIA Jetson系列产品的深度学习能力是比较熟悉的，但是要将使用价值再扩展到工业场景的时候，也必须对这个40针引脚的用法有足够的掌握。

本文将大部分困扰初学者的问题进行较更有逻辑的梳理，日后只要大家能弄清楚SFIO与GPIO之间的差异、Jetson-IO与Jetson.GPIO的不同，以及GPIO四种编码模式的对应脚位如何查找，其他的问题就是透过代码去熟练这些调用，也不必在乎是用Python库还是C语言库了。[完]