STM32的GPIO電路原理

ldjsld 2021-11-16

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GPIO是通用輸入/輸出端口的簡(jiǎn)稱，是STM32可控制的引腳。GPIO的引腳與外部硬件設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。

STM32F103ZET6芯片為144腳芯片，包括7個(gè)通用目的的輸入/輸出口（GPIO）組，分別為GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同時(shí)每組GPIO口組有16個(gè)GPIO口。通常簡(jiǎn)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(dāng)GPIO使用之外，還可以復(fù)用為外設(shè)功能引腳，比如串口。相關(guān)文章：學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)，繞不開(kāi)的串口。

GPIO基本結(jié)構(gòu)

每個(gè)GPIO內(nèi)部都有這樣的一個(gè)電路結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)在本文下面會(huì)具體介紹。

保護(hù)二極管：IO引腳上下兩邊兩個(gè)二極管用于防止引腳外部過(guò)高、過(guò)低的電壓輸入。當(dāng)引腳電壓高于VDD時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通；當(dāng)引腳電壓低于VSS時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。相關(guān)文章：如何用二極管實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)，防止燒壞芯片或者外接器件無(wú)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(kāi)漏輸出”的模式。這里的電路會(huì)在下面很詳細(xì)地分析到。

TTL肖特基觸發(fā)器：信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)器后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號(hào)。但是，當(dāng)GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時(shí)，用其“模擬輸入”功能，此時(shí)信號(hào)不再經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行TTL電平轉(zhuǎn)換。ADC外設(shè)要采集到的原始的模擬信號(hào)。

這里需要注意的是，在查看《STM32中文參考手冊(cè)V10》中的GPIO的表格時(shí)，會(huì)看到有“FT”一列，這代表著這個(gè)GPIO口時(shí)兼容3.3V和5V的。如果沒(méi)有標(biāo)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(kāi)漏輸出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出
GPIO_Mode_AF_OD 復(fù)用開(kāi)漏輸出
GPIO_Mode_AF_PP 復(fù)用推挽輸出

每個(gè)I/O口可以自由編程，但I(xiàn)/O口寄存器必須按32位字被訪問(wèn)。

下面將具體介紹GPIO的這八種工作方式：

浮空輸入模式

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說(shuō)，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無(wú)信號(hào)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

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)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(shí)候，輸入端的電平也還是低電平。

下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)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(shí)候，輸入端的電平也還是高電平。

模擬輸入模式

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

開(kāi)漏輸出模式

開(kāi)漏輸出模式下，通過(guò)設(shè)置位設(shè)置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意N-MOS管，當(dāng)設(shè)置輸出的值為高電平的時(shí)候，N-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就不會(huì)由輸出的高低電平?jīng)Q定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當(dāng)設(shè)置輸出的值為低電平的時(shí)候，N-MOS管處于開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就是低電平。同時(shí)，I/O端口的電平也可以通過(guò)輸入電路進(jìn)行讀?。蛔⒁?，I/O端口的電平不一定是輸出的電平。

開(kāi)漏復(fù)用輸出模式

開(kāi)漏復(fù)用輸出模式，與開(kāi)漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來(lái)源，不是讓CPU直接寫(xiě)輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的。

推挽輸出模式

推挽輸出模式下，通過(guò)設(shè)置位設(shè)置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)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(dāng)設(shè)置輸出的值為高電平的時(shí)候，P-MOS管處于開(kāi)啟狀態(tài)，N-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當(dāng)設(shè)置輸出的值為低電平的時(shí)候，P-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，N-MOS管處于開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。同時(shí)，I/O端口的電平也可以通過(guò)輸入電路進(jìn)行讀??；注意，此時(shí)I/O端口的電平一定是輸出的電平。

推挽復(fù)用輸出模式

推挽復(fù)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(lái)源，不是讓CPU直接寫(xiě)輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的。

總結(jié)與分析

什么是推挽結(jié)構(gòu)和推挽電路？

推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOS管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)三極管或MOS管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由輸出電平?jīng)Q定。

推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)。電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開(kāi)關(guān)速度。

開(kāi)漏輸出和推挽輸出的區(qū)別？

開(kāi)漏輸出：只可以輸出強(qiáng)低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當(dāng)于三極管的集電極。適合于做電流型的驅(qū)動(dòng)，其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi))；

推挽輸出:可以輸出強(qiáng)高、低電平，連接數(shù)字器件。

關(guān)于推挽輸出和開(kāi)漏輸出，最后用一幅最簡(jiǎn)單的圖形來(lái)概括：

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(shí)下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導(dǎo)通，輸出電平VS+；當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)則恰恰相反，PNP三極管導(dǎo)通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開(kāi)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(shí)別，RX1
帶上拉輸入_IPU——IO內(nèi)部上拉電阻輸入
帶下拉輸入_IPD—— IO內(nèi)部下拉電阻輸入
模擬輸入_AIN ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
開(kāi)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(shí)現(xiàn)輸出高電平。當(dāng)輸出為1時(shí)，IO口的狀態(tài)由上拉電阻拉高電平，但由于是開(kāi)漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變?yōu)榈碗娖交虿蛔??？梢宰xIO輸入電平變化，實(shí)現(xiàn)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(fù)用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內(nèi)外設(shè)功能（I2C的SCL、SDA）
復(fù)用功能的開(kāi)漏輸出_AF_OD——片內(nèi)外設(shè)功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）

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