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[经验] GPIO的8种工作模式 [附带GPIO开发教程]

2020-8-26 19:14:53  816 GPIO STM32
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General Purpose Input Output (通用输入/输出)简称为GPIO,或总线扩展器,人们利用工业标准I2C、SMBus或SPI接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口,或当系统需要采用远端串行通信或控制时,GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。
  GPIO的常用四种输出方式:
  (1)推挽输出
  (2)开漏输出
  (3)复用推挽
  (4)复用开漏。
  四种输入方式:
  (1)浮空输入
  (2)上拉输入
  (3)下拉输入
  (4)模拟输入
下文将介绍GPIO的 八种输入/输出模式:
  一、推挽输出:  可以输出高、低电平,连接数字器件;推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。
  推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流,也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。
  二、开漏输出:  输出端相当于三极管的集电极,要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)。开漏形式的电路有以下几个特点:
  1、利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻、MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。
  2、一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻,很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。)
  3、开漏输出提供了灵活的输出方式,但是也有其弱点,就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电,所以当电阻选择小时延时就小,但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求,则建议用下降沿输出。
  4、可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成“与逻辑”关系,即“线与”。可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时,外接一上拉电阻,如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以外电路逻辑电平便为0,只有都为高电平时,与的结果才为逻辑1。
  关于推挽输出和开漏输出,用一幅简单的图形来概括:在下图中,左边的便是推挽输出模式,其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止,而上面NPN三极管导通,输出电平VS+;当比较器输出低电平时则恰恰相反,PNP三极管导通,输出和地相连,为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式,需要接上拉。
图1.png
三、浮空输入

    对于浮空输入,一直没找到很权威的解释,只好从以下图中去理解了
图2.png
由于浮空输入一般多用于外部按键输入,结合图上的输入部分电路,我理解为浮空输入状态下,IO的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定如果在该引脚悬空的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

  四、上拉输入/下拉输入/模拟输入:这几个概念很好理解,从字面便能轻易读懂。

  五、复用开漏输出、复用推挽输出:  可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用IO口使用)

  六、总结在STM32中IO模式选用  1、浮空输入GPIO_IN_FLOAtiNG ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1
  2、带上拉输入GPIO_IPU——IO内部上拉电阻输入
  3、带下拉输入GPIO_IPD—— IO内部下拉电阻输入
  4、模拟输入GPIO_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
  5、开漏输出GPIO_OUT_OD ——IO输出0接GND,IO输出1,悬空,需要外接上拉电阻,才能实现输出高电平。当输出为1时,IO口的状态由上拉电阻拉高电平,但由于是开漏输出模式,这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化,实现C51的IO双向功能
  6、推挽输出GPIO_OUT_PP ——IO输出0-接GND, IO输出1 -接VCC,读输入值是未知的
  7、复用功能的推挽输出GPIO_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL,SDA)
  8、复用功能的开漏输出GPIO_AF_OD——片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)
  七、STM32设置实例:  1、模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD,接上拉电阻,能够正确输出0和1;读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然后可以读IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);
  2、如果是无上拉电阻,IO默认是高电平;需要读取IO的值,可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD;

  八、通常有5种方式使用MCU的某个引脚功能,其配置方式如下:  1、作为普通GPIO输入:根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块
  2、作为普通GPIO输出:根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块
  3、作为普通模拟输入 :配置该引脚为模拟输入模式,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块
  4、作为内置外设的输入:根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入,同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
  5、作为内置外设的输出:根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出同时使能该引脚对应的所有复用功能模块

  九、GPIO相关的寄存器(7个寄存器)
  1、端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)
  2、端口配置高寄存器(GPIOx_CRH)
  3、端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)
  4、端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)
  5、端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)
  6、端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)
  7、端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
  

  总结:注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚,只能使能其中之一,其它模块保持非使能状态。比如要使用STM32F103VBT6的47、48脚的USART3功能,则需要配置47脚为复用推挽输出或
复用开漏输出,配置48脚为某种输入模式,同时使能USART3并保持I2C2为非使能状态。如果要使用STM32F103VBT6的47脚作为TIM2_CH3,则需要对TIM2进行重映射,然后再按复用功能的方式配置

对应引脚.



STM32入门系列教程之七《GPIO编程》.rar

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elecfans小能手 2020-8-30 07:56:56
谢谢分享
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