STM32F103标准外设库——GPIO 输入、输出 (五)

简介: STM32F103标准外设库——GPIO 输入、输出 (五)


一、GPIO 输出—点亮LED

1、硬件设计

       这是一个 RGB 灯,里面由红蓝绿三个小灯构成,使用 PWM 控制时可以混合成 256 不同的颜色。

       这些 LED 灯的阴极都是连接到 STM32 的 GPIO 引脚,只要我们控制 GPIO 引脚的电平输出状态, 即可控制 LED 灯的亮灭。若您使用的实验板 LED 灯的连接方式或引脚不一样,只需根据我们的 工程修改引脚即可,程序的控制原理相同。

IO端口位的基本结构

2、软件设计

       为了使工程更加有条理,我们把 LED 灯控制相关的代码独立分开存储,方便以后移植。在“工 程模板”之上新建“bsp_led.c”及“bsp_led.h”文件,其中的“bsp”即 Board Support Packet 的缩写 (板级支持包),这些文件也可根据您的喜好命名,这些文件不属于STM32 标准库的内容,是由我们自己根据应用需要编写的。

1.编程要点

(1). 使能 GPIO 端口时钟;

(2). 初始化 GPIO 目标引脚为推挽输出模式;

(3). 编写简单测试程序,控制 GPIO 引脚输出高、低电平。

2.代码分析

(1)LED 灯引脚宏定义

       在编写应用程序的过程中,要考虑更改硬件环境的情况,例如 LED 灯的控制引脚与当前的不一 样,我们希望程序只需要做最小的修改即可在新的环境正常运行。这个时候一般把硬件相关的部分使用宏来封装,若更改了硬件环境,只修改这些硬件相关的宏即可,这些定义一般存储在头文 件。

/* 定义LED连接的GPIO端口,用户只需要修改下面LED引脚 */
// R_红色
#define LED1_GPIO_PORT      GPIOB                   /*  GPIO端口 */
#define LED1_GPIO_CLK       RCC_APB2Periph_GPIOB    /* GPIO端口时钟 */
#define LED1_GPIO_PIN   GPIO_Pin_5              /* 连接到SCL时钟线的GPIO */
 
// G-绿色
#define LED2_GPIO_PORT      GPIOB                   /*  GPIO端口 */
#define LED2_GPIO_CLK       RCC_APB2Periph_GPIOB    /* GPIO端口时钟*/
#define LED2_GPIO_PIN   GPIO_Pin_0              /* 连接到SCL时钟线的GPIO */
 
// B-蓝色
#define LED3_GPIO_PORT      GPIOB                   /*  GPIO端口 */
#define LED3_GPIO_CLK       RCC_APB2Periph_GPIOB    /* GPIO端口时钟 */
#define LED3_GPIO_PIN   GPIO_Pin_1              /*连接到SCL时钟线的GPIO */

       以上代码分别把控制 LED 灯的 GPIO 端口、GPIO 引脚号以及 GPIO 端口时钟封装起来了。在实际控制的时候我们就直接用这些宏,以达到应用代码硬件无关的效果。

(2)控制 LED 灯亮灭状态的宏定义

       为了方便控制 LED 灯,我们把 LED 灯常用的亮、灭及状态反转的控制也直接定义成宏。

/*直接操作寄存器的方法控制 IO*/
#define digitalHi(p,i)     {p->BSRR=i;}  //输出为高电平
#define digitalLo(p,i)     {p->BRR=i;}   //输出低电平
#define digitalToggle(p,i) {p->ODR ^=i;}     //输出反转状态
 
 
/* 定义控制 IO 的宏 */
#define LED1_TOGGLE      digitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_GPIO_PIN)
#define LED1_OFF       digitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_GPIO_PIN)
#define LED1_ON        digitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_GPIO_PIN)
 
#define LED2_TOGGLE      digitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_GPIO_PIN)
#define LED2_OFF       digitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_GPIO_PIN)
#define LED2_ON        digitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_GPIO_PIN)
 
#define LED3_TOGGLE      digitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_GPIO_PIN)
#define LED3_OFF       digitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_GPIO_PIN)
#define LED3_ON        digitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_GPIO_PIN)
 
/* 基本混色,后面高级用法使用 PWM 可混出全彩颜色, 且效果更好 */
 
//红
#define LED_RED  \
          LED1_ON;\
          LED2_OFF\
          LED3_OFF
 
//绿
#define LED_GREEN   \
          LED1_OFF;\
          LED2_ON\
          LED3_OFF
 
//蓝
#define LED_BLUE  \
          LED1_OFF;\
          LED2_OFF\
          LED3_ON
 
          
//黄 (红 + 绿)       
#define LED_YELLOW  \
          LED1_ON;\
          LED2_ON\
          LED3_OFF
//紫 (红 + 蓝)
#define LED_PURPLE  \
          LED1_ON;\
          LED2_OFF\
          LED3_ON
 
//青 (绿 + 蓝)
#define LED_CYAN \
          LED1_OFF;\
          LED2_ON\
          LED3_ON
          
//白 (红 + 绿 + 蓝)
#define LED_WHITE \
          LED1_ON;\
          LED2_ON\
          LED3_ON
          
//黑 (全部关闭)
#define LED_RGBOFF  \
          LED1_OFF;\
          LED2_OFF\
          LED3_OFF

       这部分宏控制 LED 亮灭的操作是直接向 BSRR、BRR 和 ODR 这三个寄存器写入控制指令来实现的,对 BSRR 写 1 输出高电平,对 BRR 写 1 输出低电平,对 ODR 寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。

       RGB 彩灯可以实现混色,如最后一段代码我们控制红灯和绿灯亮而蓝灯灭,可混出黄色效果。

       代码中的“\”是 C 语言中的续行符语法,表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。代码中因为宏定义关键字“#define”只是对当前行有效,所以我们使用续行符来连接起来,以下的 代码是等效的:

#define LED_YELLOW LED1_ON; LED2_ON; LED3_OFF

(3)LED GPIO 初始化函数

       利用上面的宏,编写 LED 灯的初始化函数

void LED_GPIO_Config(void)
{   
    /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 
    /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd( LED1_GPIO_CLK | LED2_GPIO_CLK | LED3_GPIO_CLK, ENABLE);
    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_GPIO_PIN;  
 
    /*设置引脚模式为通用推挽输出*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   
 
    /*设置引脚速率为50MHz */   
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
 
    /*调用库函数,初始化GPIO*/
    GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); 
    
    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED2_GPIO_PIN;
 
    /*调用库函数,初始化GPIO*/
    GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED3_GPIO_PIN;
 
    /*调用库函数,初始化GPIOF*/
    GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
 
    /* 关闭所有led灯 */
    GPIO_SetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);
    
    /* 关闭所有led灯 */
    GPIO_SetBits(LED2_GPIO_PORT, LED2_GPIO_PIN);   
    
    /* 关闭所有led灯 */
    GPIO_SetBits(LED3_GPIO_PORT, LED3_GPIO_PIN);
}

(1) 使用 GPIO_InitTypeDef 定义 GPIO 初始化结构体变量,以便下面用于存储 GPIO 配置

(2) 调用库函数 RCC_APB2PeriphClockCmd 来使能 LED 灯的 GPIO 端口时钟,在前面的章节中 我们是直接向 RCC 寄存器赋值来使能时钟的,不如这样直观。该函数有两个输入参数,第 一个参数用于指示要配置的时钟,如本例中的“RCC_APB2Periph_GPIOB”,应用时我们使 用“|”操作同时配置 3 个 LED 灯的时钟;函数的第二个参数用于设置状态,可输入“Disable” 关闭或“Enable”使能时钟。

(3) 向 GPIO 初始化结构体赋值,把引脚初始化成推挽输出模式,其中的 GPIO_Pin 使用宏 “LEDx_GPIO_PIN”来赋值,使函数的实现方便移植。

(4) 使用以上初始化结构体的配置,调用 GPIO_Init 函数向寄存器写入参数,完成 GPIO 的初始 化,这里的 GPIO 端口使用“LEDx_GPIO_PORT”宏来赋值,也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体,只修改控制的引脚和端口,初始化其它 LED 灯使用的 GPIO 引脚。

(6) 使用宏控制 RGB 灯默认关闭。

(4)主函数

       编写完 LED 灯的控制函数后,就可以在 main 函数中测试了,在 main 函数中,调用我们前面定义的 LED_GPIO_Config 初始化好 LED 的控制引脚,然后直接调 用各种控制 LED 灯亮灭的宏来实现 LED 灯的控制。

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_led.h"
 
#define SOFT_DELAY Delay(0x0FFFFF);
 
void Delay(__IO u32 nCount); 
 
/**
  * @brief  主函数
  * @param  无  
  * @retval 无
  */
int main(void)
{ 
  /* LED 端口初始化 */
  LED_GPIO_Config();   
 
  while (1)
  {
    LED1_ON;        // 亮
    SOFT_DELAY;
    LED1_OFF;      // 灭
 
    LED2_ON;       // 亮
    SOFT_DELAY;
    LED2_OFF;      // 灭
 
    LED3_ON;       // 亮
    SOFT_DELAY;
    LED3_OFF;      // 灭  
 
    /*轮流显示 红绿蓝黄紫青白 颜色*/
    LED_RED;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_GREEN;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_BLUE;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_YELLOW;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_PURPLE;
    SOFT_DELAY;
        
    LED_CYAN;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_WHITE;
    SOFT_DELAY;
    
    LED_RGBOFF;
    SOFT_DELAY;   
  }
}
 
void Delay(__IO uint32_t nCount)   //简单的延时函数
{
  for(; nCount != 0; nCount--);
}
 

二、GPIO 输入—按键检测

1、硬件设计

       按键机械触点断开、闭合时,由于触点的弹性作用,按键开关不会马上稳定接通或一下子断开,使用按键时会产生图按键抖动说明图中的带波纹信号,需要用软件消抖处理滤波,不方便输入检测。本实验板连接的按键带硬件消抖功能,它利用电容充放电的延时,消除了波纹,从而简化软件的处理,软件只需要直接检测引脚的电平即可。

        从按键的原理图可知,这些按键在没有被按下的时候,GPIO 引脚的输入状态为低电平 (按键所在的电路不通,引脚接地),当按键按下时,GPIO 引脚的输入状态为高电平 (按键所在的电路导通, 引脚接到电源)。只要我们检测引脚的输入电平,即可判断按键是否被按下。

2、软件设计

       同 LED 的工程,为了使工程更加有条理,我们把按键相关的代码独立分开存储,方便以后移植。 在“工程模板”之上新建“bsp_key.c”及“bsp_key.h”文件,这些文件也可根据您的喜好命名,这 些文件不属于 STM32 标准库的内容,是由我们自己根据应用需要编写的。

1.编程要点

(1). 使能 GPIO 端口时钟;

(2). 初始化 GPIO 目标引脚为输入模式 (浮空输入);

(3). 编写简单测试程序,检测按键的状态,实现按键控制 LED 灯。

2.代码分析

(1)按键引脚宏定义

       同样,在编写按键驱动时,也要考虑更改硬件环境的情况。我们把按键检测引脚相关的宏定义到 “bsp_key.h”文件中

//  引脚定义
#define    KEY1_GPIO_CLK         RCC_APB2Periph_GPIOA
#define    KEY1_GPIO_PORT        GPIOA         
#define    KEY1_GPIO_PIN     GPIO_Pin_0
 
#define    KEY2_GPIO_CLK         RCC_APB2Periph_GPIOC
#define    KEY2_GPIO_PORT        GPIOC       
#define    KEY2_GPIO_PIN     GPIO_Pin_13
 
/** 按键按下标置宏
  *  按键按下为高电平,设置 KEY_ON=1, KEY_OFF=0
  *  若按键按下为低电平,把宏设置成KEY_ON=0 ,KEY_OFF=1 即可
  */
#define KEY_ON  1
#define KEY_OFF 0

       以上代码根据按键的硬件连接,把检测按键输入的 GPIO 端口、GPIO 引脚号以及 GPIO 端口时钟 封装起来了。

(2)按键 GPIO 初始化函数

       利用上面的宏,编写按键的初始化函数。

void Key_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  
  /*开启按键端口的时钟*/
  RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK|KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);
  
  //选择按键的引脚
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_GPIO_PIN; 
  // 设置按键的引脚为浮空输入
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; 
  //使用结构体初始化按键
  GPIO_Init(KEY1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
  
  //选择按键的引脚
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_GPIO_PIN; 
  //设置按键的引脚为浮空输入
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; 
  //使用结构体初始化按键
  GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); 
}

        同为 GPIO 的初始化函数,初始化的流程与“LED GPIO 初始化函数”章节中的类似,主要区别 是引脚的模式。函数执行流程如下:

(1) 使用 GPIO_InitTypeDef 定义 GPIO 初始化结构体变量,以便下面用于存储 GPIO 配置。

(2) 调用库函数 RCC_APB2PeriphClockCmd 来使能按键的 GPIO 端口时钟,调用时我们使用“|” 操作同时配置两个按键的时钟。

(3) 向 GPIO 初始化结构体赋值,把引脚初始化成浮空输入模式,其中的 GPIO_Pin 使用宏 “KEYx_GPIO_PIN”来赋值,使函数的实现方便移植。由于引脚的默认电平受按键电路影 响,所以设置成浮空输入。

(4) 使用以上初始化结构体的配置,调用 GPIO_Init 函数向寄存器写入参数,完成 GPIO 的初始 化,这里的 GPIO 端口使用“KEYx_GPIO_PORT”宏来赋值,也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体,只修改控制的引脚和端口,初始化其它按键检测时使用的 GPIO 引脚。

(3)检测按键的状态

       初始化按键后,就可以通过检测对应引脚的电平来判断按键状态了。

 /*
 * 函数名:Key_Scan
 * 描述  :检测是否有按键按下
 * 输入  :GPIOx:x 可以是 A,B,C,D或者 E
 *         GPIO_Pin:待读取的端口位   
 * 输出  :KEY_OFF(没按下按键)、KEY_ON(按下按键)
 */
uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)
{     
  /*检测是否有按键按下 */
  if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON )  
  {  
    /*等待按键释放 */
    while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);   
    return  KEY_ON;  
  }
  else
    return KEY_OFF;
}

(4)主函数

       接下来我们使用主函数编写按键检测流程,代码中初始化 LED 灯及按键后,在 while 函数里不断调用 Key_Scan 函数,并判断其返回值,若返回值表示按键按下,则反转 LED 灯的状态。

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_led.h"  
#include "bsp_key.h" 
 
/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */ 
int main(void)
{ 
  /* LED端口初始化 */
  LED_GPIO_Config();
  LED1_ON;
 
  /* 按键端口初始化 */
  Key_GPIO_Config();
  
  /* 轮询按键状态,若按键按下则反转LED */
  while(1)                            
  {    
    if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON  )
    {
      /*LED1反转*/
      LED1_TOGGLE;
    } 
 
    if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON  )
    {
      /*LED2反转*/
      LED2_TOGGLE;
    }   
  }
}
 


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