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STM32引脚说明 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。
' ~# Y% d1 T, Y8 YSTM32F103ZET6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。 3 X" q. ]! z# L' y2 N
STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外,还可以复用位外设功能引脚(比如串口),这部分在【STM32】STM32端口复用和重映射(AFIO辅助功能时钟) 中有详细的介绍。
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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。 $ J$ h1 @7 T" e3 k, I
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这边的电路图稍微提一下:
' @3 x* G7 c, T, ~/ z- {; U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。 ' p8 g* z( q, h5 X/ i
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。 3 ~/ ^- R. o J5 [. }! J9 O
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。
& z; |2 j% |# s* B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。
GPIO支持4种输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和4种输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。同时,GPIO还支持三种最大翻转速度(2MHz、10MHz、50MHz)。 * M; N+ w) Y) Q2 C+ E0 `; [& o; `2 B
每个I/O口可以自由编程,但I/O口寄存器必须按32位字被访问。
0 i: s7 R7 S, M( I! d& TGPIO_Mode_AIN 模拟输入 GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入 GPIO_Mode_IPD 下拉输入 GPIO_Mode_IPU 上拉输入 GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出 GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出 GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出 GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出 下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式: 7 k6 X7 I& K! T, ]; j j
浮空输入模式
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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。
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! e2 @! ]' c p3 |# ~上拉输入模式 " J2 l' P$ g. m' w/ }: G. H1 F5 R8 X
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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。
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8 f% M* y" C8 O- o0 X下拉输入模式
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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。1 E. g! ?3 o8 J" }
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模拟输入模式 2 \6 m' N5 G: J( k9 b) ~. u# z
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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。6 e+ M) Q2 W$ a9 V1 ~' l
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开漏输出模式
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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。
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开漏复用输出模式 ! E( Y! j# A6 M
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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。
T" t { @) l0 n. R; g推挽输出模式 6 i! Y( o5 k F8 i- A& T- c2 R
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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。4 l4 @- X* E# Q' X& w
{, c" U# \, C推挽复用输出模式
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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。
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1、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。
. u( H7 e. P! M% q* L; C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。 6 \4 l& w+ z4 k7 w
2、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); % A* k( ^) C E0 \0 n
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:
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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; U8 [3 @2 g/ ]3 z5 [
3、在STM32中选用怎样选择I/O模式? 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
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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
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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 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL、SDA) 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1、MOSI、MISO.SCK.SS) + M' i: D& [9 o$ \" T
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