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STM32--GPIO

2024-03-15 62
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简介： STM32--GPIO


GPIO简介

GPIO（General Purpose Input Output）是通用输入/输出口的简称。它是一种可以通过软件控制的端口扩展器，常见于各种嵌入式系统和单片机中。GPIO具有以下特点和优势：

  1. 低功耗：GPIO使用的电流较小，能够在嵌入式系统中实现低功耗的控制和监视功能。
  2. 小封装：GPIO芯片通常采用小封装的设计，占据较小的空间，适用于空间有限的应用场景。
  3. 低成本：GPIO芯片的制造成本相对较低，可以降低整体系统的成本。
  4. 布线简单：GPIO的接口设计一般比较简单，连接和布线也相对容易，方便用户进行外部设备的控制和数据采集。

通过使用GPIO，我们可以将外部设备与嵌入式系统或单片机连接起来，实现与外部设备的通信、控制和数据采集功能。例如，通过配置GPIO的输入输出状态，可以实现控制LED灯的亮灭、读取按键的状态、控制电机的转动等。GPIO的灵活性使得它在各个领域中得到广泛的应用，如物联网、工业自动化、智能家居等。

GPIO的基本结构

GPIO的基本结构通常包括以下几个主要组成部分：

  1. 输入/输出引脚（IO Pins）：GPIO芯片上的引脚用于连接外部设备或其他电路。这些引脚可以被配置为输入或输出模式，以实现对外部信号的读取或控制。
  2. 控制逻辑（Control Logic）：控制逻辑是用来配置和控制GPIO引脚工作模式和行为的电路。它接收来自外部或内部的控制信号，并根据相应的配置将其传递给相应的GPIO引脚。
  3. 寄存器（Registers）：寄存器是用来存储GPIO的配置和状态信息的特殊内存单元。通过读写寄存器中的特定位或字段，可以配置引脚的工作模式、使能或禁用某些功能，以及监控引脚的状态。
  4. 数据缓冲器（Data Buffer）：数据缓冲器用于在GPIO引脚和外部设备之间传输数据。根据引脚的配置，数据缓冲器可以将输出数据驱动到外部设备，或者从外部设备读取输入数据。
  5. 驱动器（Drive）：驱动器用于增强信号在引脚与寄存器之间的传输。对于一些信号来说，传输信号比较弱，通过配置驱动器，使之增强达到驱动效果。

这里的GPIO连接着APB2总线；软件的编程程序将会从这里输入或输出；

下图为STM32总电路图

GPIO位结构

对于STM32每个端口位来说，每个I/O端口位可以自由编程，然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访问)。

下图是I/O端口位的基本结构

整体分为寄存器，驱动器和某个I/O引脚；

上半部分是输入部分，下半部分是输出部分；

先从I/O引脚说起，这里的两个保护二极管是对输入电压的限制；上边接的是3.3V的VDD，下边接的是0V的VSS；如果接入的电压超过3.3V，那么输入的电压产生的电流将会流入VDD，避免过高的电压对电路产生伤害；如果接入的电压小于0V（相对VSS），那么电流就会从VSS的正极流向I/O引脚，从而保护电路；

所以，保护二极管将输入电压限制在了0-3.3V之间了；

接着看输入驱动器的连接电阻的部分，这里连接的是上拉电阻和下拉电阻，上拉电阻连接VDD，下拉电阻连接VSS，因此可以通过程序来控制；

如果上面导通，下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通，上面断开，就是下拉输入模式；如果两个都断开，就是浮空输入模式；

这个上拉和下拉目的是为了提供一个默认的输入电平；对于数字信号来说，只识别高电平和低电平；倘若输入引脚没有接上外设，就不知道此时是高电平还是低电平，实际此时处于浮空输入状态吗，那么此时很容易受到外界的干扰，接上了这两个电阻后，当接上是上拉电阻，引脚悬空时可由上拉电阻来保持高电平，所以上拉默认为高电平输入模式；下拉就反过来，保持低电平状态，下拉默认为低电平输入模式，这样就能防止外界的干扰，使浮空时状态更加稳定；

还有这里是弱上拉和弱下拉，目的是为了不影响正常操作；

顺着电路看到TTL，施密特触发器，作用是对电压进行整形；

执行逻辑是输入电压高于某一阈值，那么将会瞬间变为高电平；输入电压低于某一阈值，那么将会瞬间变为低电平；

由于输入电压是从外界进来的，输入的数字信号不会保持一定程度的高低电平，输入信号会有所波动，所以有这个触发器就能让这些波动变为高低电平；

然后看到输入数据寄存器，通过施密特触发器处理的数字信号将会进入到寄存器，我们用程序就可以读取到寄存器中的数据；

看到上方的模拟输入和复用功能输入，这里是连接片上外设的，模拟输入是ADC模拟数字信号，接在施密特触发器前，可以处理信号；复用功能输入接收的是数字量，所以接在施密特触发器之后；

接着看输出部分，数字信号可以由输出寄存器或片上外设控制；两种输出模式都会通过数据选择器接到输出控制部分；如果是输出寄存器，那么通过普通的I/O口就能进行输出；

最左边的位设置/清除寄存器，用来单独操作输出寄存器的某一位，而不影响其他位。因为这个输出寄存器有16位，且这个寄存器只能整体读写，所以通过这个设置/清除寄存器，能够设置某一位为1或0，剩下不需要的位将它们置为0/1即可；接着就会对输出寄存器对应位置的位进行传输；直接一步到位；

位设置就是将某一位设置为1，位清除就是将某一位设置为0；

接着看到两个MOS管，它是一种电子开关，通过信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将接口接到VSS或VDD；

这里有两种模式，第一种是推挽输出模式，这个模式P-MOS和N-MOS均有效。数据寄存器输出1时那么上管导通下管关闭，输出直接接到VDD，保持高电平；数据为0时，那么上管关闭下管导通，输出直接接到VSS，保持低电平；这种模式高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出也叫强输出模式。

第二种是开漏输出模式，这个模式只有N-MOS有效；数据寄存器输出1时，下管断开，这时相当于输出断开，也就是高阻模式，无效；数据寄存器输出0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平；也就是说，这种模式高电平没有驱动能力，低电平才有驱动能力；

关闭就说明两个MOS管都关闭，输出无效；

GPIO模式

根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征， GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

下面给出各模式配置的电路图：

浮空/上拉/下拉输入

模拟输入

推挽/开漏输出

复用推挽/开漏输出

LED和蜂鸣器

LED：发光二极管，正向通电点亮，反向通电不亮

有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定，（我们所使用的是有源蜂鸣器）

无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

这是LED和蜂鸣器连接STM32的电路图。

第一个是由电源提供连接二极管的正极，二极管负极连接STM32，通过STM32的低电平触发，二极管正向导通，STM32高电平二极管两端都为3.3V，无法使二极管导通；连接电阻是控制电流大小，还有可以调节二极管的亮度。

第三个是让二极管正极接在STM32的PA0口上，负极接地；那么只有在STM32输出高电平时，发光二极管才会正向导通；

上面介绍中，在推挽输出模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以两种解法均可。一般情况下，我们习惯用第一种方法，因为单片机和芯片上使用的是高电平弱驱动，低电平强驱动的规则，避免高低电平混乱；

第二个是蜂鸣器电路，用到三极管驱动方案；

对于功率比较大的，直接用I/O口连接的话STM32负担较大，所以采用三极管的驱动方案；三极管左边是基极，带箭头是发射极，下面是集电极；左边的基极给低电平，三极管就会导通，通过3.3V和GND的连接，三接管就导通；基极给出高电平，三接管就会关闭，蜂鸣器无电流通过；

第四个图也是蜂鸣器电路，但操作方式与第二个正好相反；

一样的，三极管左边是基极，带箭头是发射极，下面是集电极；当基极为高电平时，三极管导通，蜂鸣器有电流；低电平时，三极管关闭，蜂鸣器无电流；

三极管的导通需要基极和发射极保持一定的电压；

LED闪烁工程及程序原码

我们要在面包板上连接好我们的电路：

之后就可以编写程序了。

我们首先复制工程模板，创建一个工程文件夹；然后在mian.c上操作即可；

首先需要对GPIO的I/O接口进行一定的配置；

● 输出缓冲器被激活

─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(PMOS从不被激活)。

─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

我们在STM32的总线路可以看出需要设置APB2外设时钟开关；

当外设时钟没有启用时，软件不能读出外设寄存器的数值，返回的数值始终是0x0。

这里我们输入RCC_APB2PeriphClockCmd函数，输入后选中该函数，点击右键，

选中定义，

这里我们可以看清这个函数的参数使用和函数的功能；

参数这里选择RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE

接着就对GPIO进行模式选择和I/O端位口的选择；

在库函数中，使用的是结构体，我们需要对结构体给出一个变量，

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure

然后跟上面同意的道理，选中进入定义；

对结构体成员进行赋值，也就是模式和端口位的选择；

最后就对GPIO结构体进行初始化，这样就完成GPIO的输出配置。

代码：

delay.c

#include "stm32f10x.h"
/**
  * @brief  微秒级延时
  * @param  xus 延时时长，范围：0~233015
  * @retval 无
  */
void Delay_us(uint32_t xus)
{
  SysTick->LOAD = 72 * xus;       //设置定时器重装值
  SysTick->VAL = 0x00;          //清空当前计数值
  SysTick->CTRL = 0x00000005;       //设置时钟源为HCLK，启动定时器
  while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000)); //等待计数到0
  SysTick->CTRL = 0x00000004;       //关闭定时器
}
/**
  * @brief  毫秒级延时
  * @param  xms 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
  while(xms--)
  {
    Delay_us(1000);
  }
}
 
/**
  * @brief  秒级延时
  * @param  xs 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_s(uint32_t xs)
{
  while(xs--)
  {
    Delay_ms(1000);
  }
}

delay.h

#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H
void Delay_us(uint32_t us);
void Delay_ms(uint32_t ms);
void Delay_s(uint32_t s);
#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
int main()
{
  //设置APB2外设时钟开关
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
  
  //GPIO初始化的结构体 变量类型
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  //对结构体成员进行赋值
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  //GPIO初始化
  GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  
  
  while(1)
  {
    //清除所选端口数据端口位，置0
    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
    Delay_ms(100);
    //设置所选端口数据端口位，置1
    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
    Delay_ms(500);
    
    //设置或清除所选数据端位口
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
    Delay_ms(500);
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);
    Delay_ms(500);
    
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,(BitAction)0);//强制转换为1
    Delay_ms(500);
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,(BitAction)1);
    Delay_ms(500);
  
  
  }
}

接着就是在while（1）循环中让PA0口在高低电平中置换；

这里可以直接设置/清除所选数据端口位函数GPIO_SetBits与GPIO_ResetBits，也可以写入用设置或清除所选数据端口位函数GPIO_WriteBit；

这里的位用了枚举类型，可以运用枚举类型的定义，进行不同的切换；

蜂鸣器工程和程序原码

代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
int main()
{
  //设置APB2外设时钟开关
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
  
  //GPIO初始化的结构体 变量类型
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  //对结构体成员进行赋值
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  //GPIO初始化
  GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
  
  
  while(1)
  {
    GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
    Delay_ms(100);
    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
    Delay_ms(100);
    GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
    Delay_ms(100);
    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
    Delay_ms(700);
  }
}

传感器

传感器模块：传感器元件（光敏电阻/热敏电阻/红外接收管等）的电阻会随外界模拟量的变化而变化，电阻不好观察，再通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出，最后通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出。

这是传感器的电路图。

先看第三个电路图，N1就是可变电阻，随着光线、温度、等外界因素的变化而变化；R1是N1分压的定值电阻，R1与N1串联，定值电阻一端接VCC，N1一端接GND，这就构成简单的串联电路，C2是滤波电容，可以保证电路的稳定。它并不是电路的主要框架，看电路图可以先把它省略。AO就是我们模拟的电压输出；

该模块还支持数字输出，AO通过电压比较器的二值化（第一个图）将模拟电压转换为数字电压DO；

第二个图是可调值电阻，通过该电阻可以调节传感器的变化阈值；

第四个图也就是总的传感器模块图；DO连接着发光二极管，低电平时亮，高电平时不亮；

我们连接是转换为数字电压输出，所以AO引脚可以不接。

光敏传感器控制蜂鸣器工程

这里对蜂鸣器和传感器分别装在一个文件中，创建完记得在三色箱子进行拓充和魔法棒的C/C++进行补充；

代码

buzzer.h

#ifndef __BUZZER_H__
#define __BUZZER_H__
void Buzzer_Init();
void Buzzer_ON();
void Buzzer_OFF();
void Buzzer_Turn();
#endif

buzzer.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//Buzzer的初始化
void Buzzer_Init()
{
  //设置APB2外设时钟开关
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
  //选择结构体成员
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  //初始化结构体
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  //初始化为低电平，改为高电平
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
  
}
//Buzzer打开
void Buzzer_ON()
{
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
//Buzzer关闭
void Buzzer_OFF()
{
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
//Buzzer执行相反的操作
void Buzzer_Turn()
{
  if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12)==0)
  {
      GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
  }
  else
  {
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
  }
}

LightSensor.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//传感器的初始化
void LightSensor_Init(void)
{
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入，默认高电平
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
//获取传感器的信号
uint8_t LightSensor_Get(void)
{
  return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13);
  //灯光较亮时，传感器的指示灯亮，输入低电平
  //灯光较暗时，传感器指示灯不亮，输入高电平
}

LightSensor.h

#ifndef __LIGHTSENSOR_H__
#define __LIGHTSENSOR_H__
void LightSensor_Init(void);
uint8_t LightSensor_Get(void);//uint8_t表示unsigned char
#endif

mian.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "Buzzer.h"
#include "LightSensor.h"
int main()
{
  LightSensor_Init();
  Buzzer_Init();
  
  while(1)
  {
  //外界较暗时，感应器输入高电平（1），蜂鸣器响起
    if(LightSensor_Get())
    {
      Buzzer_ON();
    }
  //外界较亮时，感应器输入低电平（0），蜂鸣器不响
    else
    {
      Buzzer_OFF();
    }
  }
}


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