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【经验分享】STM32 GPIO模式理解

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-18 19:52
stm32的GPIO的配置模式有好几种,包括:
1. 模拟输入;
2. 浮空输入;
3. 上拉输入;
4. 下拉输入;
5. 开漏输出;
6. 推挽输出;
7. 复用开漏输出;
8. 复用推挽输出

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如图是GPIO的结构原理图:

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1.模拟输入
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从上图我们可以看到,我觉得模拟输入最重要的一点就是,他不经过输入数据寄存器,所以我们无法通过读取输入数据寄存器来获取模拟输入的值,我觉得这一点也是很好理解的,因为输入数据寄存器中存放的不是0就是1,而模拟输入信号不符合这一要求,所以自然不能放进输入数据寄存器。该输入模式,使我们可以获得外部的模拟信号。
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2.浮空输入
7 ]- A- R( H. {4 i0 ^' B
该输入状态,我的理解是,它的输入完全由外部决定,我觉得在数据通信中应该可以使用该模式。应为在数据通信中,我们直观的理解就是线路两端连接着发送端和接收断,他们都需要准确获取对方的信号电平,不需要外界的干预。所以我觉得这种情况适合浮空输入。比如我们熟悉的I2C通信。

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3上拉输入
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上拉输入就是在输入电路上使用了上拉电阻。这种模式的好处在于我们什么都不输入时,由于内部上拉电阻的原因,我们的处理器会觉得我们输入了高电平,这就避免了不确定的输入。这在要求输入电平只要高低两种电平的情况下是很有用的。
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4下拉输入
和上拉输入类似,不过下拉输入时,在外部没有输入时,我们的处理器会觉得我们输入了低电平。
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5开漏输出

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开漏输出,输出端相当于三极管的集电极,所以适合与做电流驱动的应用。要得到高电平,需要上拉电阻才可以。
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6推挽输出
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推挽输出使用了推挽电路,结合推挽电路的特性,它是由两个MOSFET组成,一个导通的同时,另外一个截至,两个MOSFET分别连接高低电平,所以哪一个导通就会输出相应的电平。推挽电路速度快,输出能力强,直接输出高电平或者低电平。
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7复用开漏和复用推挽

3 o/ S" C0 i0 j
我们知道这只是对GPIO的复用而已。使普通的GPIO具有了别的功能。
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2 O4 D7 g& Z  y0 c3 ^. @

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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的电源低定。

% j9 f1 t: s6 u0 N/ L
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。
详细理解:
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如图所示,推挽放大器的输出级有两个"臂"(两组放大元件),一个"臂"的电流增加时,另一个"臂"的电流则减小,二者的状态轮流转换。对负载而言,好像是一个"臂"在推,一个"臂"在拉,共同完成电流输出任务。当输出高电平时,也就是下级负载门输入高电平时,输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来,输出高低电平时,VT3 一路和 VT5 一路将交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使RC常数很小,转变速度很快。因此,推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。
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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:
  • 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R pull-up ,MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。
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  • 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沿的速度。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。)
    & Q/ F. Z+ g/ _* E5 c
  • OPEN-DRAIN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 F4 T% w, F  ~* v. b) B
  • 可以将多个开漏输出的Pin,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。这也是I2C,SMBus等总线判断总线占用状态的原理。0 j# N2 w/ D) H$ H: ~% [
    补充:什么是"线与"?:
    在一个结点(线)上,连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,只要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.如果这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.
    其实可以简单的理解为: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。

    ( t  A3 }* I' u; Z0 _7 \: X0 |* W8 H5 x6 |1 ?

    3 w6 G1 [# e1 O
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:
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: A: Q4 {- Y  k* o8 e& C该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。

* i/ K8 V) f  k. W- c
浮空输入:
对于浮空输入,一直没找到很权威的解释,只好从GPIO的结构原理图中去理解了
+ L" l+ t9 B, m6 e; I1 P
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。

+ R6 T+ s! d0 o3 U0 A
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。
! N& E2 @# C- x' |, w
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)

# \" S1 ?' k, ~7 V/ x
最后总结下使用情况:
在STM32中选用IO模式
3 U( l# I# `2 j2 z- R! c, i( K6 _- t(1)浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1
9 g6 f5 D9 o% ]. `(2)带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入& k: J+ V2 ^" P) `/ l+ Z6 `. N
(3)带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入9 h8 @( f5 h# D6 _
(4)模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
4 c! `7 z7 i7 H" y: Z' I9 L(5)开漏输出_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
( p5 A# [1 K+ I# Q  l/ I: K(6)推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND, IO输出1 -接VCC,读输入值是未知的9 c8 Y: X. ~4 K, K  E
(7)复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL,SDA)" |: \! S% s% X* k& s# P
(8)复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)# D% R4 l/ R! v9 R% w. B1 Z
7 o4 O2 |' c/ N: Z/ M
STM32设置实例:- c' b' |/ M& C3 \" b3 D* j" }7 T
9 u9 i' F6 n! z: W" n6 {' U. D
(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);+ A/ ^/ Y1 o% r0 Q

! a- d- h3 ]5 o. m( }( h(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;
通常有5种方式使用某个引脚功能,它们的配置方式如下:
% E( t3 O7 m0 J* I1)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。
; e. W4 _* ]5 n- Z) ?0 y2)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。& l% d# H* ?- I7 X
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。( [" h* k; J# J' c' Y2 U
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。
3 {8 C' @& m+ N7 V7 G5)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。
6 y: u/ A) d& \& R1 z0 ]# u/ r/ L; ]; n& c: J' r" r( O2 `
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。

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