【飞控开发基础教程1】疯壳·开源编队无人机-GPIO

FutureX · 发表于 2022-7-6 12:22

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COCOFLY教程

——疯壳·无人机系列

GPIO（LED 航情灯、信号灯控制）

图1

一、LED
1.1LED 简介
LED（Light Emitting Diode）即为发光二极管的缩写。LED 是一种在生活中非常常见的照明发光器件。LED 的在我们生活中形态种类非常的多，如下图所示。

图2 图3
尽管 LED 在我们生活中形态非常地多，但这所有的 LED 在电路里均使用如下图所示的符号来表示。

图4

1.2LED 发光原理
LED 最重要的一个发光结构就是灯内如绿豆大小般的灯珠。虽然它的体积很小，但它却内有乾坤，如下图所示为 LED 内部构造。

图5

这个结构极其复杂，一共分为好几层：最上层叫做 P 型半导体层、中间层为发光层、最下层叫做 N 型半导体层。
从物理学角度来理解：当电流通过晶片时，N 型半导体内的电子与 P 型半导体内的空穴在发光层剧烈地碰撞复合产生光子，以光子的形式发出能量（即大家看见的光）。
二、GPIO
2.1GPIO 简介
GPIO(General-purpose input/output)，通用的输入输出的简称，单片机的引脚可以供使用者自由使用，可以配置为输出，也可以配置为输入。其中输出又可以是输出“高电平”或者“低电平”。在电子电路中“高电平”是电压高的状态，用逻辑来表示即为 1，“低电平”是电压低的状态，用逻辑来表示即为 0。
STM32F103 系列是意法半导体基于 ARM Cortex M3 内核的 32 位单片机，飞控上用的主核心是 48 脚的 STM32F103CBT6，其引脚如下图所示。

图6

STM32F103CBT6 的 GPIO 的功能较多，有 A、B、C、D 等四组 GPIO，每组每个 GPIO 口都可以作为输出输出口使用之外，还能作为复用引脚使用，比如串口、I2C、SPI 等特殊接口的引脚。但是需要注意的是每个引脚的复用功能是有限制的，所以硬件连接时需要注意每个引脚有哪些复用功能，这个可以在STM32F103 的数据手册中查看。GPIO 口一共有 8 种模式，分别为：浮空输入，上拉输入，下拉输入，模拟输入，开漏输出，推挽输出，推挽式复用功能，开漏式复用功能，如下表所示。
STM32F103GPIO 工作模式

图7
这 8 种功能我们就不一一介绍了，有兴趣可以上网搜索了解一下，这里主要讲解一下开漏输出和推挽输出的区别。
（1）开漏输出：
输出端相当于三极管的集电极. 需要上拉电阻才能得到高电平，利用外部上拉电阻的驱动能力，减少 IC 内部的驱动，驱动能力强，适合于做电流型的驱动，可达到 20mA。
（2）推挽输出：
可以输出高，低电平,连接数字器件，是由两个参数相同的三极管或 MOSFET 以推挽方式连接，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，既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
总结一下：推挽输出可以输出强高低电平，连接数字器件；而开漏输出只可以输出低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极，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）。
2.2GPIO 相关寄存器
STM32F103 的每个 GPIO 端口有：两个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL 和GPIOx_CRH)、两个 32 位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)、一个 32 位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)、一个 16 位复位寄存器(GPIOx_BRR)、一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
（1）GPIOx_CRL 寄存器（x=A~G）

图8
该寄存器用于配置 IO0~7 的输入输出模式以及速率设置。
（2）GPIOx_CRH 寄存器（x=A~G）

图9
该寄存器用于配置 IO8~15 的输入输出模式以及速率设置。
（3）GPIOx_IDR 寄存器(x=A~G)

图10
IDR 是 GPIO 的输入数据寄存器。通过 IDR 寄存器可以读出 IO 的状态。需要注意的是 IDR 寄存器只能以字（16 位）的形式读出。
（4）GPIOx_ODR 寄存器(x=A~G)

图11

ODR 是 GPIO 的输出数据寄存器。通过 ODR 寄存器可以输出高低电平。
（5）GPIOx_BSRR 寄存器(x=A~G)

图12

BSRR 是GPIO 的端口位设置/清除寄存器。BSRR 寄存器的高 16 位是清除IO 位，低 16 位是置位 IO 位。需要注意的是 BSRR 只有在写入 1 的时候，相应的功能才有作用，写入 0 是无效的。
（6）GPIOx_BRR 寄存器(x=A~G)

图13
BRR 是 GPIO 的端口位清除寄存器。BRR 基础只有在写入 1 的时候，相应的功能才有作用，写入 0 无效。
（7）GPIOx_LCKR 寄存器(x=A~G)

图14
LCKR 是GPIO 的端口配置锁定寄存器。LCKR 寄存器用来锁定IO 口的配置，设置后，除了复位后不能再配置 IO 的状态。

2.3GPIO 实验
本节实验的内容是周期性点亮无人机的航情灯以及信号灯，其中航情灯在四个螺旋桨底下，而信号灯则在开关两侧。
查看原理图可以得知无人机的航情灯同一接在 NPN 三极管 Q1 上，而三极管的基极又接在了单片机的 PA8 上；两个信号灯分别接在了 PC13 和 PC14 上。