STM32GPIO 介绍

STM32 引脚说明

GPIO 是通用输入 / 输出端口的简称,是 STM32 可控制的引脚。GPIO 的引脚与外部硬件设备连接,可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

 

STM32F103ZET6 芯片为 144 脚芯片,包括 7 个通用目的的输入 / 输出口(GPIO)组,分别为 GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG,同时每组 GPIO 口组有 16 个 GPIO 口。通常简略称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx,其中 x 为 0-15。

 

STM32 的大部分引脚除了当 GPIO 使用之外,还可以复用位外设功能引脚(比如串口),这部分在【STM32】STM32 端口复用和重映射(AFIO 辅助功能时钟) 中有详细的介绍。

 

GPIO 基本结构

每个 GPIO 内部都有这样的一个电路结构,这个结构在本文下面会具体介绍。

 

 

这边的电路图稍微提一下:

保护二极管:IO 引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于 VDD 时,上方的二极管导通;当引脚电压低于 VSS 时,下方的二极管导通,防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此,还是不能直接外接大功率器件,须加大功率及隔离电路驱动,防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

 

P-MOS 管和 N-MOS 管:由 P-MOS 管和 N-MOS 管组成的单元电路使得 GPIO 具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。

 

TTL 肖特基触发器:信号经过触发器后,模拟信号转化为 0 和 1 的数字信号。但是,当 GPIO 引脚作为 ADC 采集电压的输入通道时,用其“模拟输入”功能,此时信号不再经过触发器进行 TTL 电平转换。ADC 外设要采集到的原始的模拟信号。

 

这里需要注意的是,在查看《STM32 中文参考手册 V10》中的 GPIO 的表格时,会看到有“FT”一列,这代表着这个 GPIO 口时兼容 3.3V 和 5V 的;如果没有标注“FT”,就代表着不兼容 5V。

 

STM32 的 GPIO 工作方式

GPIO 支持 4 种输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和 4 种输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。同时,GPIO 还支持三种最大翻转速度(2MHz、10MHz、50MHz)。

 

每个 I/O 口可以自由编程,但 I/O 口寄存器必须按 32 位字被访问。

 

GPIO_Mode_AIN 模拟输入

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

 

下面将具体介绍 GPIO 的这八种工作方式:

 

浮空输入模式

 

 

浮空输入模式下,I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说,I/O 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(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

 

上拉输入模式

 

 

上拉输入模式下,I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在 I/O 端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在高电平;并且在 I/O 端口输入为低电平的时候,输入端的电平也还是低电平。

 

下拉输入模式

 

 

下拉输入模式下,I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在 I/O 端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在低电平;并且在 I/O 端口输入为高电平的时候,输入端的电平也还是高电平。

 

模拟输入模式

 

 

模拟输入模式下,I/O 端口的模拟信号(电压信号,而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块,比如 ADC 模块等等。

 

开漏输出模式

 

 

开漏输出模式下,通过设置位设置 / 清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经 N-MOS 管,最终输出到 I/O 端口。这里要注意 N-MOS 管,当设置输出的值为高电平的时候,N-MOS 管处于关闭状态,此时 I/O 端口的电平就不会由输出的高低电平决定,而是由 I/O 端口外部的上拉或者下拉决定;当设置输出的值为低电平的时候,N-MOS 管处于开启状态,此时 I/O 端口的电平就是低电平。同时,I/O 端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,I/O 端口的电平不一定是输出的电平。

 

开漏复用输出模式

 

 

开漏复用输出模式,与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让 CPU 直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

 

总结与分析

1、什么是推挽结构和推挽电路?

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或 MOS 管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管或 MOS 管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

 

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。

 

2、开漏输出和推挽输出的区别?

开漏输出:只可以输出强低电平,高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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);

 

推挽输出:可以输出强高、低电平,连接数字器件。

 

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。

 

3、在 STM32 中选用怎样选择 I/O 模式?

浮空输入 _IN_FLOATING ——浮空输入,可以做 KEY 识别,RX1

带上拉输入 _IPU——IO 内部上拉电阻输入

带下拉输入 _IPD—— IO 内部下拉电阻输入

模拟输入 _AIN ——应用 ADC 模拟输入,或者低功耗下省电

 

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

 

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

复用功能的推挽输出 _AF_PP ——片内外设功能(I2C 的 SCL、SDA)

复用功能的开漏输出 _AF_OD——片内外设功能(TX1、MOSI、MISO.SCK.SS)

 

(作者:Yngz_Miao 来源:https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/79858906)