一、GPIO简介
- GPIO(General Purpose Input Output)通用输入输出口
- GPIO引脚电平:0V(低电平)~3.3V(高电平),部分引脚可容忍5V
- 容忍5V,即部分引脚输入5V的电压,也认为是高电平;引脚定义中有FT(Five Tolerate)即表示可容忍5V;
- 对于输出而言,最大就只能输出3.3V,因为供电就只有3.3V;
- 可配置为8种输入输出模式;
- 输出模式下可控制端口输出高低电平,用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等;
- 输入模式下可读取端口的高低电平或电压,用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等;
二、GPIO基本结构
1.GPIO整体结构
- STM32上,所有的GPIO都是挂载在APB2时钟总线上;
- GPIO外设的名称按照GPIOA、B、C等等来命名的;
- 每个GPIO外设有16个引脚,编号0~15;
- 每个GPIO模块内,主要包含了寄存器和驱动器;
- 寄存器就是一段特殊的存储器,内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写,从而实现电平的输出和读取功能;
- 寄存器的每一位对应一个引脚;
- 输出寄存器写1,对应引脚就会输出高电平;写0,就会输出低电平;
- 输入寄存器读取为1,对应引脚目前为高电平;读取为0,为低电平;
- STM32为32位的单片机,所以STM32内部的寄存器都是32位,但每个GPIO只有16个引脚,所以寄存器只有低16位有对应的引脚,高16位是没有用到的;
- 驱动器是用来增加信号的驱动能力,寄存器只负责存储数据;当进行点灯这样的操作,还是需要驱动器增大驱动能力;
- 寄存器就是一段特殊的存储器,内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写,从而实现电平的输出和读取功能;
2.GPIO位结构
- 保护二极管:用于限制引脚的输入电压;
- 上面保护二极管接VDD(3.3V),下面二极管接VSS(0V);
- 当输入电压高于3.3V时,上方二极管导通,输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路,避免过高的电压对内部电路产生伤害;
- 当输入电压低于0V时,下方二极管导通,电流会直接从IO引脚流出去,而不会从内部电路汲取电流,从而保护内部电路;
- 当输入电压位于0~3.3V之间,上下方二极管均不会导通;
- 上下拉电阻
- 上下拉电阻的作用是给输入提供一个默认的输入电平,上下拉电阻均断开时,引脚处于浮空状态,此时引脚的输入电平极易受到外界干扰而改变;
- 上拉电阻连接VDD(3.3V);下方电阻连接VSS(0V);连接开关可通过程序进行配置;
- 上拉电阻打开,下拉电阻断开,即上拉输入模式,又称作默认为高电平的输入模式;
- 上拉电阻断开,下拉电阻打开,即下拉输入模式,又称作默认为低电平的输入模式;
- 上拉电阻和下拉电阻均断开,即浮空输入模式;
- 上下拉电阻的阻值都是比较大的,是一种弱上拉和弱下拉,目的是尽量不影响正常的输入操作;
- 施密特触发器:对输入电压进行整形
- 当施密特触发器的输入电压大于某一阈值时,输出就会瞬间升为高电平;小于某一阈值,输出就会瞬间降为低电平;
- 例如:引脚的波形为外界输入,虽然是数字信号,但实际情况下可能产生各种失真,一下面波形举例:
- 数据选择器:选择是输出数据寄存器还是片上外设(复用功能输出)的信号输入到输出控制;
- 位设置/清除寄存器:用来单独操作输出数据寄存器的某一位,而不影响其他位(即单独操作GPIO中某一引脚的电平高低,输出寄存器同时控制GPIO的16个端口,且只能整体读写 )
- MOS管:MOS管可以理解成电子开关,输出控制的信号控制开关的导通和关闭,进而控制IO口连接到VDD(3.3V)或VSS(0V);可选择推挽、开漏、关闭三种输出模式
- 推挽输出模式:P-MOS和N-MOS均有效;这种模式下,高低电平均有较强的驱动能力,所以推挽输出模式也称为强推输出模式;在推挽输出模式下,STM32对IO口具有绝对的控制权,高低电平都有STM32控制;
- 输出控制输出1时,P-MOS导通,N-MOS断开,输出直接接到VDD(3.3V),输出高电平;
- 输出控制输出0时,P-MOS断开,N-MOS导通,输出直接接到VSS(0V),输出低电平;
- 开漏输出模式:P-MOS无效,N-MOS有效;这种模式下,只有低电平有驱动能力,高电平没有驱动能力;开漏模式常用作通信协议的输出方式,比如I2C通信的引脚;在多机通信的情况下,开漏模式可以避免各个设备的相互干扰;
- 输出控制输出1时,P-MOS断开,N-MOS断开,输出相当于断开,即高阻模式;
- 输出控制输出0时,P-MOS断开,N-MOS导通,输出直接接到VSS(0V),输出低电平;
- 开漏模式还可以用于输出5V的电平信号:在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源,输出低电平时,由内部的N-MOS直接接VSS(0V);输出高电平时,由外部上拉电阻拉高至5V;这样就可以输出5V信号,用于兼容一些5V的电平设备;
- 关闭模式:当引脚配置为输入模式时,P-MOS和N-MOS均无效,端口的电平由外部信号来控制;
- 推挽输出模式:P-MOS和N-MOS均有效;这种模式下,高低电平均有较强的驱动能力,所以推挽输出模式也称为强推输出模式;在推挽输出模式下,STM32对IO口具有绝对的控制权,高低电平都有STM32控制;
三、GPIO的8种工作模式
- 上拉/下拉/浮空输入配置
- 模拟输入配置
- 推挽/开漏输出配置
- 复用推挽/开漏输出配置
- 在输出模式下,输入都是有效的;在输入模式下,输出都是无效的;(因为一个端口只能有一个输出,但可以有多个输入);
- 在GPIO的8种模式下,除了模拟输入模式会关闭数字输入功能,其他7种模式下,数字输入都是有效的;
四、参考手册_GPIO部分介绍
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STM32F103数据手册和参考手册 蓝奏云下载链接,密码:2nkx
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端口配置寄存器
- 每一个端口的模式由4位进行配置, 16个端口就需要64位,每个寄存器32位,所以配置寄存器有2个;
- GPIO的输出速度可以限制输出引脚的最大翻转速度,该设计是为了低功耗和稳定性,一般要求不高时,配置成50MHz即可;
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端口输入寄存器
- 低16位对应16个引脚,高16位没有使用;
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端口输出寄存器
- 低16位对应16个引脚,高16位没有使用;
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端口位设置/清除寄存器
- 高16位用于位清除,低16位用于位设置; 写1用于设置或清除,写0不产生影响;
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端口位清除寄存器
- 低16位效果和端口位设置/清除寄存器的高16位功能一样;
- 当只需要单一的进行位设置或位清除,位设置时,用端口位设置/清除寄存器;位清除时,用端口位清除寄存器;(此时进行位设置和位清除时,使用的都是低16位的数据,比较方便);
- 当需要对多个端口同时进行位设置和位清除,可以使用端口设置/清除寄存器,这样可以保证位设置和位清除的同步性;
五、GPIO输出实验_外围设备介绍
1.LED和蜂鸣器
(1)LED和蜂鸣器简介
- LED,发光二极管,正向通电点亮,反向通电不亮;
- 蜂鸣器:分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器
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有源蜂鸣器:内部自带震荡源,正负极接上直流电压即可持续发声,频率固定;
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无源蜂鸣器:内部不带震荡源,需要控制器提供震荡脉冲才可发声;调整提供的震荡脉冲的频率,可发出不同频率的声音;
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(2)LED和蜂鸣器硬件电路
- STM32的GPIO在推挽输出模式下,高低电平具有比较强的驱动能力,选用高电平驱动或者低电平驱动均可;
- 单片机电路种,一般倾向于低电平驱动,因为很多单片机或芯片,都是用了高电平弱驱动,低电平强驱动的规则(这样可以一定程度上避免高低电平冲突);
2.面包板
六、GPIO输出实验
1.LED闪烁
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接线图
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操作STM32的GPIO外设一共需要3个步骤:
- 使用RCC(Reset Clock Control,复位时钟控制),开启GPIO的时钟;
- 使用GPIO_Init()函数初始化GPIO;
- 使用输出或输入函数控制GPIO口;
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RCC外设常用的3个库函数
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GPIO常用的库函数:GPIO_Init、GPIO的8个读写函数
- GPIO的4个输出函数
- GPIO的4个输出函数
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Delay延时函数
- 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0SysTick->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_Hvoid 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(void)
{//1.打开GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //2.配置PA0为推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);while(1){GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 打开LEDDelay_ms(500);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 关闭LEDDelay_ms(500);}}
- LED闪烁实验,工程下载地址,密码:gso9
2.LED流水灯
- 接线图
- main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"int main(void)
{//1.打开GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //2.配置PA0-PA7为推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);while(1){GPIO_Write(GPIOA, ~0x0001);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0002);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0004);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0008);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0010);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0020);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0040);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0080);Delay_ms(500);}}
- LED流水灯实验,工程下载地址,密码:1vmb
3.蜂鸣器
- 接线图
- main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"int main(void)
{//1.打开GPIOB时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //2.配置PA0-PA7为推挽输出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;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);}}
- 蜂鸣器实验,工程下载地址,密码:a1zp
4.库函数的使用方法
- 打开对应外设库函数种的.h文件,查看有哪些函数------>转到对应函数的定义,查看函数功能和参数的用法;
- 库函数使用手册(老版本,部分用法有出入,整体差异不大)下载链接
- 网上搜索,参考别人的代码;
七、GPIO输入实验_外围设备介绍
1.按键
- 常用的输入设备,按下导通,松开断开;
- 按键抖动:按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断,在按下和松手的瞬间会伴有一连串的抖动;
- 按键的抖动时间比较短,通常在5~10ms,人眼是分辨不出来的,但是对于高速运行的单片机而言,5 ~ 10ms还是很漫长的,所以需要对抖动进行过滤,即按键消抖;
- 最简单的过滤办法就是加一段延时,把抖动时间耗过去;
- 按键的电路
2.传感器模块
- 课程中有4个传感器模块:光敏电阻传感器、热敏电阻传感器、对射式红外传感器、反射式红外传感器;
- 这些传感器模块都是利用传感器元件(光敏电阻/热敏电阻/红外接收管)的电阻会随着外界的模拟量变化而变化(光线越强,光敏电阻阻值越小;温度越高,热敏电阻阻值越小;红外光线越强,红外接收管的阻值越小;)
- 电阻的变化不容易采集到,通常将传感器元件与定值电阻进行串联分压,这样就可以得到模拟电压的输出。对于电路来说,检测电压就比较容易;
- 还可以通过电压比较器,对输出的模拟电压进行二值化,这样就可以得到数字电压输出;
- 传感器的电路
八、GPIO输入实验
1. 按键控制LED
- 接线图
- 读取引脚和端口的库函数
- LED.c
#include "stm32f10x.h" // Device headervoid LED_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2);
}void LED1_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}void LED1_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}void LED1_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 0){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);}else{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);}
}void LED2_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}void LED2_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}void LED2_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2) == 0){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);}else{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);}
}
- LED.h
#ifndef __LED_H
#define __LED_Hvoid LED_Init(void);void LED1_ON(void);
void LED1_OFF(void);
void LED1_Turn(void);
void LED2_ON(void);
void LED2_OFF(void);
void LED2_Turn(void);#endif
- Key.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"void Key_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}uint8_t Ket_GetNum(void)
{uint8_t KeyNum = 0;if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0) // 按键1按下{ Delay_ms(20); // 消抖while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0); // 等待抬起Delay_ms(20); // 消抖KeyNum = 1; // 按键1按下后松开}if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0) // 按键2按下{ Delay_ms(20); // 消抖while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0); // 等待抬起Delay_ms(20); // 消抖KeyNum = 2; // 按键2按下后松开}return KeyNum;
}
- Key.h
#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
#include "stm32f10x.h" // Device headervoid Key_Init(void);
uint8_t Ket_GetNum(void); #endif
- 按键控制LED实验,工程下载地址,密码:2pzm
2.光敏传感器控制蜂鸣器
- 接线图
- Buzzer.c
#include "stm32f10x.h" // Device headervoid Buzzer_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);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;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12) == 0){GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}else{GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}
}
- Buzzer.h
#ifndef __BUZZER_H
#define __BUZZER_Hvoid Buzzer_Init(void);
void Buzzer_ON(void);
void Buzzer_OFF(void);
void Buzzer_Turn(void);#endif
- LightSensor.c
#include "stm32f10x.h" // Device headervoid LightSeneorInit(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 光敏传感器,光照强时,输出低电平,输出指示灯亮;光照弱时,输出高电平,输出指示灯灭;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}uint8_t LightSensor_Get(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}
- LightSensor.h
#ifndef __LightSensor_H
#define __LightSensor_H
#include "stm32f10x.h" // Device headervoid LightSeneorInit(void);
uint8_t LightSensor_Get(void);#endif
- main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "Buzzer.h"
#include "LightSensor.h"int main(void)
{Buzzer_Init();LightSeneorInit();while(1){if(LightSensor_Get() == 1){Buzzer_ON();}else{Buzzer_OFF();}}}
- 光敏传感器控制蜂鸣器,工程下载地址,密码:bh7h