GPIO是通用输入/输出端口的简称,是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接,可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。 STM32F103ZET6芯片为144脚芯片,包括7个通用目的的输入/输出口(GPIO)组,分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG,同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx,其中x为0-15。 STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外,还可以复用为外设功能引脚,比如串口。GPIO基本结构 % T5 V: w1 p# k0 k/ j* s6 T" { 每个GPIO内部都有这样的一个电路结构,这个结构在本文下面会具体介绍。 + X, N2 @% c) A, W3 {, f/ i9 W & S3 l$ n$ g; m- y8 \" E# {' a 保护二极管:IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时,上方的二极管导通;当引脚电压低于VSS时,下方的二极管导通,防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此,还是不能直接外接大功率器件,须加大功率及隔离电路驱动,防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。 : T. g& ]3 ?6 w t' H# h P-MOS管和N-MOS管:由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。- w* T. M7 v. s% y( c4 g! A; i% n- l TTL肖特基触发器:信号经过触发器后,模拟信号转化为0和1的数字信号。但是,当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时,用其“模拟输入”功能,此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。 这里需要注意的是,在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时,会看到有“FT”一列,这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的。如果没有标注“FT”,就代表着不兼容5V。STM32的GPIO工作方式 GPIO支持的输入输出模式:
下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式:9 X5 u" T. p) n1 P y; W9 d4 n 浮空输入模式 % n5 H+ ?9 d7 b% l+ d4 _$ w" h }9 P+ S, s% l , {0 b& m8 P7 D, d$ s- @. ? 浮空输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说,I/O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(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的。! e; d" x! Z! B& _2 r 上拉输入模式" N0 I, \: r# l: [( d ! j0 ^2 s+ R6 z+ s) X0 @. ` 2 ^/ C( c1 U; g - p. X6 D, M; V- y 8 o0 r2 i3 q: F- M' h 上拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在高电平;并且在I/O端口输入为低电平的时候,输入端的电平也还是低电平。 下拉输入模式. `% H1 Y( z7 B7 z 1 ?: X) A3 U0 H, i; ]% L Z " w/ v; s8 K1 K4 u" i 下拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在低电平;并且在I/O端口输入为高电平的时候,输入端的电平也还是高电平。% L* L( \8 a ` 模拟输入模式 3 D% N9 i$ J, W, Y9 k7 u! n3 I / @. |% A- k: h" V 7 i6 z9 _. `& q' e 模拟输入模式下,I/O端口的模拟信号(电压信号,而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块,比如ADC模块等等。 开漏输出模式% j3 u1 k3 p6 u' V; ^ ( W4 n2 W( I6 m ! h& I& U0 y8 `& L# ^% ` 开漏输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定;当设置输出的值为低电平的时候,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就是低电平。同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,I/O端口的电平不一定是输出的电平。; e1 c$ q) N$ \: a$ D. C A 开漏复用输出模式 2 n1 ^% Y6 y x4 r$ c . N3 t1 D0 j- [% c8 B # w' w0 M2 F5 l/ G# ]9 d 开漏复用输出模式,与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。 推挽输出模式. d6 J4 v: k2 B% E ! {, ?" c4 z! q0 f* F 推挽输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经P-MOS管和N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,P-MOS管处于开启状态,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定:高电平;当设置输出的值为低电平的时候,P-MOS管处于关闭状态,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定:低电平。同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,此时I/O端口的电平一定是输出的电平。7 s4 P0 b& `: f' h. `: Q$ l! \ 推挽复用输出模式 9 w! U+ k" F1 m3 w$ r; k 3 h: m; x V0 E/ \2 G" s - U# g; x) E9 e i. i! r1 Z6 u : e) o/ }9 Q: n: w2 v 推挽复用输出模式,与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。% p5 U, L8 E* @9 n s3 ^ 总结与分析 什么是推挽结构和推挽电路? 推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。4 W& O5 v( V( s0 ^9 _ 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。 开漏输出和推挽输出的区别? 开漏输出:只可以输出强低电平,高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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); 推挽输出:可以输出强高、低电平,连接数字器件。 关于推挽输出和开漏输出,最后用一幅最简单的图形来概括:
! W/ p. h- C" R: V. Z. Y* B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。 - v& \* J& s e, i' B: W+ u% |# ?( Y在STM32中选用怎样选择I/O模式?& g7 b$ Z% i0 g8 E
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