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STM32F4 输入输出(GPIO)模式理解

简介: <div style="margin: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font-family: Arial, Helvetica, sans-serif, 脣脦脤氓; line-height: 20px;"><span style="margin: 0px; font-size: 12pt;">stm32的GPIO的配置模式有好几种,包括:</span></div>
stm32的GPIO的配置模式有好几种,包括:
1. 模拟输入;
2. 浮空输入;
3. 上拉输入;
4. 下拉输入;
5. 开漏输出;
6. 推挽输出;
7. 复用开漏输出;
8. 复用推挽输出
 
如图是GPIO的结构原理图:
 
 
1.模拟输入
 
从上图我们可以看到,我觉得模拟输入最重要的一点就是,他不经过输入数据寄存器,所以我们无法通过读取输入数据寄存器来获取模拟输入的值,我觉得这一点也是很好理解的,因为输入数据寄存器中存放的不是0就是1,而模拟输入信号不符合这一要求,所以自然不能放进输入数据寄存器。该输入模式,使我们可以获得外部的模拟信号。
 
2.浮空输入
 
该输入状态,我的理解是,它的输入完全由外部决定,我觉得在数据通信中应该可以使用该模式。应为在数据通信中,我们直观的理解就是线路两端连接着发送端和接收断,他们都需要准确获取对方的信号电平,不需要外界的干预。所以我觉得这种情况适合浮空输入。比如我们熟悉的I2C通信。
 
3上拉输入
 
上拉输入就是在输入电路上使用了上拉电阻。这种模式的好处在于我们什么都不输入时,由于内部上拉电阻的原因,我们的处理器会觉得我们输入了高电平,这就避免了不确定的输入。这在要求输入电平只要高低两种电平的情况下是很有用的。
 
4下拉输入
和上拉输入类似,不过下拉输入时,在外部没有输入时,我们的处理器会觉得我们输入了低电平。
 
5开漏输出
 
开漏输出,输出端相当于三极管的集电极,所以适合与做电流驱动的应用。要得到高电平,需要上拉电阻才可以。
 
6推挽输出
 
推挽输出使用了推挽电路,结合推挽电路的特性,它是由两个MOSFET组成,一个导通的同时,另外一个截至,两个MOSFET分别连接高低电平,所以哪一个导通就会输出相应的电平。推挽电路速度快,输出能力强,直接输出高电平或者低电平。
 
7复用开漏和复用推挽
 
我们知道这只是对GPIO的复用而已。使普通的GPIO具有了别的功能。
 

 

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

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。

详细理解:



如图所示,推挽放大器的输出级有两个“臂”(两组放大元件),一个“臂”的电流增加时,另一个“臂”的电流则减小,二者的状态轮流转换。对负载而言,好像是一个“臂”在推,一个“臂”在拉,共同完成电流输出任务。当输出高电平时,也就是下级负载门输入高电平时,输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来,输出高低电平时,VT3 一路和 VT5 一路将交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使RC常数很小,转变速度很快。因此,推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。

开漏输出: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).

开漏形式的电路有以下几个特点:

1.利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ,MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。

2.一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻,很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度

3.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式,但是也有其弱点,就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电,所以当电阻选择小时延时就小,但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求,则建议用下降沿输出。

4.可以将多个开漏输出的Pin,连接到一条线上。通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成与逻辑关系。这也是I2CSMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充:什么是“线与”?:

在一个结点(线),连接一个上拉电阻到电源VCCVDDnNPNNMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,只要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.如果这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.

其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时,外接一上拉电阻,如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以外电路逻辑电平便为0,只有都为高电平时,与的结果才为逻辑1。

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:


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。


浮空输入:对于浮空输入,一直没找到很权威的解释,只好从以下图中去理解了

由于浮空输入一般多用于外部按键输入,结合图上的输入部分电路,我理解为浮空输入状态下,IO的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定,如果在该引脚悬空的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入/下拉输入/模拟输入:这几个概念很好理解,从字面便能轻易读懂。
复用开漏输出、复用推挽输出:可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用IO口使用)
最后总结下使用情况:
在STM32中选用IO模式
(1) 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1
(2)带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
(3)带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
(4) 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
(5)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
(6)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
(7)复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL,SDA)
(8)复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

STM32设置实例:

(1)模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD,接上拉电阻,能够正确输出0和1;读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然后可以读IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);

(2)如果是无上拉电阻,IO默认是高电平;需要读取IO的值,可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD;
通常有5种方式使用某个引脚功能,它们的配置方式如下:
1)作为普通GPIO输入:根据需要配置该引脚为浮空输入带弱上拉输入带弱下拉输入,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
2)作为普通GPIO输出:根据需要配置该引脚为推挽输出开漏输出,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
3)作为普通模拟输入:配置该引脚为模拟输入模式,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4)作为内置外设的输入:根据需要配置该引脚为浮空输入带弱上拉输入带弱下拉输入,同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
5)作为内置外设的输出:根据需要配置该引脚为复用推挽输出复用开漏输出,同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚,只能使能其中之一,其它模块保持非使能状态。

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