STM32控制GPIO完成点亮LED灯

简介: STM32控制GPIO完成点亮LED灯

1. 什么是GPIO:

GPIO(General-Purpose IO ports,通用输入/输出接口),用于感知外界信号(输入模式)和控制外部设备(输出模式)。

STM32F103C8T6一共有48个引脚,除去电源引脚、晶振时钟引脚、复位引脚、启动选择引脚、程序下载引脚(大部分为最小系统必须引脚),剩下的则是GPIO引脚。

下图为STM32F103系列GPIO的基本结构,左侧连接MCU内部,中间上半部分为输入,中间下半部分为输出,右侧为MCU引出的外设I/O引脚。

e242bddd0ed44fdf9c081e64491310de.png

2. GPIO工作模式

STM32F103系列的I/O引脚共有8种工作模式,其中输出模式有四种:推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出;输入模式有四种:上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入。

b0e39259589b475ca8dd82d1dca7ce58.png

1. 推挽输出(Push-Pull,PP)


推挽结构由两个MOS管按互补对称的方式连接,任意时刻总是其中一个三极管导通,另一个三极管截止。

如上图①所示,MOS管作为开关使用,“输出控制”向两个MOS管栅极加一定电压,P-MOS管源极和漏极之间导通,VDD经过P-MOS管的S->G->D输出,N-MOS管处于高阻态(电阻很大,近似开路),整体对外为高电平;“输出控制”取消向两个MOS管栅极施加电压,P-MOS管源极和栅极截止,P-MOS管处于高阻态,N-MOS管源极和漏极导通,整体对外为低电平。

推挽模式,让“输出控制”变为了VDD/Vss输出,使得输出电流增大,提高了输出引脚的驱动能力,提高了电路的负载能力和开关的动作速度。

2. 开漏输出(Open-Drain,OD)


开漏模式下,“输出控制”不会控制P-MOS管,“输出控制”只会向N-MOS管栅极加一定电压,两个MOS管都处于截止状态,两个漏极处于悬空状态,称之为漏极开路。“输出控制”取消栅极的施加电压,P-MOS管依旧处于高阻态,N-MOS管导通,整体对外为低电平。

开漏输出模式可以等效将下图中灰色框的P-MOS管看作不存在。即该模式下只能输出低电平,若要输出高电平,则需要外接电阻,所接的电阻称为上拉电阻,此时输出电平取决于此时上拉电阻的外部电源电压情况,如下图中蓝色框的外部电路。

3d17662755c54f5daf0f9980640e6c21.png推挽输出模式可以直接输出高电平,开漏输出模式需要外接上拉电阻才能输出高电平,但开漏输出拥有一些推挽输出不具有的特性:


利用外部电路驱动能力。如图 8.1.2 所示,“输出控制”只需要提供一个很小的栅极驱动电流,VCC 经过上拉电阻为外部负载提高驱动电流;

实现电平转换。推挽输出模式由VDD提供,即只能提供3.3V电平。使用开漏输出模式后,VCC可以为 5V,从而实现了电平转换的效果。

方便实现“逻辑与”功能。多个开漏的引脚可以直接并在一起使用,统一接一个合适的上拉电阻,就可以实现“逻辑与”关系,即当所有引脚均输出高电平时,输出才为高电平,若任一引脚输出低电平,则输 出低电平。在I²C、SMBUS等总线电路中经常会用到。


3. 复用功能推挽/开漏输出(Alternate Function,AF)

GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外,还可以作为片上外设(USART、I²C、SPI等)专用引脚,即一个引脚可以有多种用途,但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。


当引脚设置为复用功能时,可选择复用推挽输出模式或复用开漏输出模式,在设置为复用开漏输出模式时,需要外接上拉电阻。


4. 上拉输入模式(Input Pull-up)

如上图中②所示,VDD经过开关、上拉电阻,连接外部I/O引脚。当开关闭合,外部I/O无输入信号时,默认输入高电平。该模式的典型应用就是外接按键,当没有按键按下时候,MCU的引脚为确定的高电平,当按键按下时候,引脚电平被拉为低电平。


5. 下拉输入模式(Input Pull-down)

如上图 中②所示,Vss经过开关、下拉电阻,连接外部I/O引脚。当开关闭合,外部I/O无输入信号时,默认输入低电平。


6. 浮空输入模式(Floating Input)

如上图中②所示,两个上/下拉电阻开关均断开,既无上拉也无下拉,I/O引脚直接连接TTL肖特基触发器,此时I/O引脚浮空,读取的电平是不确定的,外部信号是什么电平,MCU引脚就输入什么电平。MCU复位上电后,默认为浮空输入模式。


7. 模拟输入模式(Analog mode)

如上图中②所示,两个上/下拉电阻开关均断开,同时TTL肖特基触发器开关也断开,引脚信号直接连接模拟输入,实现对外部信号的采集。

GPIO 输出速度


STM32的I/O引脚工作在输出模式下时,需要配置I/O引脚的输出速度。该输出速度不是输出信号的速度,而是I/O口驱动电路的响应速度。


STM32提供三个输出速度:2MHz、10MHz、50MHz。实际开发中需要结合实际情况选择合适的相应速度,以兼顾信号的稳定性和低功耗。通常,当设置为高速时,功耗高、噪声大、电磁干扰强;当设备为低速 时,功耗低、噪声小、电磁干扰弱。


通常简单外设,比如LED灯、蜂鸣器灯,建议使用2MHz的输出速度,而复用为I²C、SPI等通信信号引脚时,建议使用10MHz或50MHz以提高响应速度。


3. 硬件方面

81faa0dc718f421bb15ce16f30100ea4.png

常见LED灯(图片来源百问网)

319ee626bdc74581af12526d997915aa.pngLED灯原理图(图片来源百问网)


4. 软件方面

driver_led.h

#ifndef __DRIVER_LED_H
#define __DRIVER_LED_H
#include "stm32f1xx_hal.h"
/*********************
 * 引脚宏定义
**********************/
#define B_LED_GPIO_PIN        GPIO_PIN_1
#define B_LED_GPIO_PORT       GPIOA
#define B_LED_GPIO_CLK_EN()   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
/*********************
 * 函数宏定义
**********************/
/*
 * LED亮灭函数宏定义
*/
#define ON  GPIO_PIN_RESET
#define OFF GPIO_PIN_SET
#define BLED(flag)        HAL_GPIO_WritePin(B_LED_GPIO_PORT, B_LED_GPIO_PIN, flag)     
/*
 *  函数名:void LedGpioInit(void)
 *  输入参数:无
 *  输出参数:无
 *  返回值:无
 *  函数作用:初始化LED的引脚,配置为上拉推挽输出
*/
extern void LedGpioInit(void);
#endif

driver_led.c

#include "driver_led.h"
/*
 *  函数名:void LedGpioInit(void)
 *  输入参数:无
 *  输出参数:无
 *  返回值:无
 *  函数作用:初始化LED的引脚,配置为上拉推挽输出
*/
void LedGpioInit(void)
{
    // 定义GPIO的结构体变量
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    // 使能LED的GPIO对应的时钟
    B_LED_GPIO_CLK_EN();
    GPIO_InitStruct.Pin = B_LED_GPIO_PIN;         // 选择LED的引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;   // 设置为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;           // 默认上拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 引脚输出速度设置为慢
    // 初始化引脚配置
    HAL_GPIO_Init(B_LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    // 默认LED灭:OFF-灭,ON-亮
    BLED(OFF);
}

main.c

#include "main.h"
#include "driver_led.h"
int main(void)
{    
    // 初始化HAL库函数必须要调用此函数
    HAL_Init();
    // 系统时钟即AHB/APB时钟配置
    SystemClock_Config();  
    // 初始化LED
    LedGpioInit(); 
  // 循环闪烁
    while(1)
    {
        BLED(ON);
        HAL_Delay(1000);
        BLED(OFF);
        HAL_Delay(1000);
    }
}
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