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STM32的GPIO工作方式與基本結構

STM32嵌入式開發 ? 來源:STM32嵌入式開發 ? 作者:STM32嵌入式開發 ? 2022-07-11 10:08 ? 次閱讀

GPIO是通用輸入/輸出端口的簡稱,是STM32可控制的引腳。GPIO的引腳與外部硬件設備連接,可實現與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數據的功能。

STM32F103ZET6芯片為144腳芯片,包括7個通用目的的輸入/輸出口(GPIO)組,分別為GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG,同時每組GPIO口組有16個GPIO口。通常簡略稱為PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx,其中x為0-15。

STM32的大部分引腳除了當GPIO使用之外,還可以復用為外設功能引腳,比如串口。相關文章:學習STM32單片機,繞不開的串口。

GPIO基本結構

每個GPIO內部都有這樣的一個電路結構,這個結構在本文下面會具體介紹。

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保護二極管:IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當引腳電壓高于VDD時,上方的二極管導通;當引腳電壓低于VSS時,下方的二極管導通,防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。相關文章:如何用二極管實現不同電壓的輸出?但是盡管如此,還是不能直接外接大功率器件,須加大功率及隔離電路驅動,防止燒壞芯片或者外接器件無法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管:由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式。這里的電路會在下面很詳細地分析到。

TTL肖特基觸發器:信號經過觸發器后,模擬信號轉化為0和1的數字信號。但是,當GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時,用其“模擬輸入”功能,此時信號不再經過觸發器進行TTL電平轉換。ADC外設要采集到的原始的模擬信號。

這里需要注意的是,在查看《STM32中文參考手冊V10》中的GPIO的表格時,會看到有“FT”一列,這代表著這個GPIO口時兼容3.3V和5V的。如果沒有標注“FT”,就代表著不兼容5V。

STM32的GPIO工作方式

GPIO支持的輸入輸出模式:

GPIO_Mode_AIN 模擬輸入

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入

GPIO_Mode_IPD 下拉輸入

GPIO_Mode_IPU 上拉輸入

GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出

GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出

GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出

GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出

每個I/O口可以自由編程,但I/O口寄存器必須按32位字被訪問。

下面將具體介紹GPIO的這八種工作方式:

浮空輸入模式

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浮空輸入模式下,I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。也就是說,I/O的電平狀態是不確定的,完全由外部輸入決定;如果在該引腳懸空(在無信號輸入)的情況下,讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入模式

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上拉輸入模式下,I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空(在無信號輸入)的情況下,輸入端的電平可以保持在高電平;并且在I/O端口輸入為低電平的時候,輸入端的電平也還是低電平。

下拉輸入模式

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下拉輸入模式下,I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空(在無信號輸入)的情況下,輸入端的電平可以保持在低電平;并且在I/O端口輸入為高電平的時候,輸入端的電平也還是高電平。

模擬輸入模式

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模擬輸入模式下,I/O端口的模擬信號(電壓信號,而非電平信號)直接模擬輸入到片上外設模塊,比如ADC模塊等等。

開漏輸出模式

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開漏輸出模式下,通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數據寄存器的值,途經N-MOS管,最終輸出到I/O端口。這里要注意N-MOS管,當設置輸出的值為高電平的時候,N-MOS管處于關閉狀態,此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平決定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定;當設置輸出的值為低電平的時候,N-MOS管處于開啟狀態,此時I/O端口的電平就是低電平。同時,I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀取;注意,I/O端口的電平不一定是輸出的電平。

開漏復用輸出模式

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開漏復用輸出模式,與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源,不是讓CPU直接寫輸出數據寄存器,取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。

推挽輸出模式

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推挽輸出模式下,通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數據寄存器的值,途經P-MOS管和N-MOS管,最終輸出到I/O端口。這里要注意P-MOS管和N-MOS管,當設置輸出的值為高電平的時候,P-MOS管處于開啟狀態,N-MOS管處于關閉狀態,此時I/O端口的電平就由P-MOS管決定:高電平;當設置輸出的值為低電平的時候,P-MOS管處于關閉狀態,N-MOS管處于開啟狀態,此時I/O端口的電平就由N-MOS管決定:低電平。同時,I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀取;注意,此時I/O端口的電平一定是輸出的電平。

推挽復用輸出模式

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推挽復用輸出模式,與推挽輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源,不是讓CPU直接寫輸出數據寄存器,取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。

總結與分析

什么是推挽結構和推挽電路?

推挽結構一般是指兩個參數相同的三極管或MOS管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管或MOS管導通的時候另一個截止。高低電平由輸出電平決定。

推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在于電路中,各負責正負半周的波形放大任務。電路工作時,兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通,所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流,也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力,又提高開關速度。

開漏輸出和推挽輸出的區別?

開漏輸出:只可以輸出強低電平,高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極。適合于做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內);推挽輸出:可以輸出強高、低電平,連接數字器件。

關于推挽輸出和開漏輸出,最后用一幅最簡單的圖形來概括:

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該圖中左邊的便是推挽輸出模式,其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止,而上面NPN三極管導通,輸出電平VS+;當比較器輸出低電平時則恰恰相反,PNP三極管導通,輸出和地相連,為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式,需要接上拉。

在STM32中選用怎樣選擇I/O模式?

浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入,可以做KEY識別,RX1

帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入

帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入

模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電

開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND,IO輸出1,懸空,需要外接上拉電阻,才能實現輸出高電平。當輸出為1時,IO口的狀態由上拉電阻拉高電平,但由于是開漏輸出模式,這樣IO口也就可以由外部電路改變為低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化,實現C51的IO雙向功能

推挽輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND, IO輸出1 -接VCC,讀輸入值是未知的

復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能(I2C的SCL、SDA)

復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能(TX1、MOSI、MISO.SCK.SS)

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:STM32的GPIO電路原理

文章出處:【微信號:c-stm32,微信公眾號:STM32嵌入式開發】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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