STM32 IO口的8中配置方式解讀

STM32 IO口的8中配置方式解讀(推輓輸出、開漏輸出、複用開漏輸出、複用推輓輸出以及上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬)

STM32  IO口的8中配置方式:

1GPIO_Mode_AIN 模擬輸入 
2GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入

3GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
4GPIO_Mode_IPU 上拉輸入

5GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出

6GPIO_Mode_Out_PP 推輓輸出
7GPIO_Mode_AF_OD 複用開漏輸出
8GPIO_Mode_AF_PP 複用推輓輸出


對於剛入門的新手,我想這幾個概念是必須得搞清楚的,平時接觸的最多的也就是推輓輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種,但一直未曾對這些做過歸納。因此,在這裏做一個總結:

推輓輸出:可以輸出高,低電平,連接數字器件; 推輓結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。

推輓電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET,以推輓方式存在於電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時,兩隻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。

詳細理解:



如圖所示,推輓放大器的輸出級有兩個“臂”(兩組放大元件),一個“臂”的電流增加時,另一個“臂”的電流則減小,二者的狀態輪流轉換。對負載而言,好像是一個“臂”在推,一個“臂”在拉,共同完成電流輸出任務。當輸出高電平時,也就是下級負載門輸入高電平時,輸出端的電流將是下級門從本級電源經VT3拉出。這樣一來,輸出高低電平時,VT3 一路和 VT5 一路將交替工作,從而減低了功耗,提高了每個管的承受能力。又由於不論走哪一路,管子導通電阻都很小,使RC常數很小,轉變速度很快。因此,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:輸出端相當於三極管的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行. 適合於做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內).

開漏形式的電路有以下幾個特點:

1.利用外部電路的驅動能力,減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時,驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ,MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。

2.一般來說,開漏是用來連接不同電平的器件,匹配電平用的,因爲開漏引腳不連接外部的上拉電阻,只能輸出低電平,如果需要同時具備輸出高電平的功能,則需要接上拉電阻,很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓,便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度

3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式,但是也有其弱點,就是帶來上升沿的延時。因爲上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電,所以當電阻選擇小時延時就小,但功耗大;反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求,則建議用下降沿輸出。

4.可以將多個開漏輸出的Pin,連接到一條線上。通過一隻上拉電阻,在不增加任何器件的情況下,形成與邏輯關係。這也是I2CSMBus等總線判斷總線佔用狀態的原理。補充:什麼是“線與”?:

在一個結點(),連接一個上拉電阻到電源VCCVDDnNPNNMOS晶體管的集電極C或漏極D,這些晶體管的發射極E或源極S都接到地線上,只要有一個晶體管飽和,這個結點()就被拉到地線電平上.因爲這些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會飽和,所以這些基極或柵極對這個結點()的關係是或非NOR邏輯.如果這個結點後面加一個反相器,就是或OR邏輯.

其實可以簡單的理解爲:在所有引腳連在一起時,外接一上拉電阻,如果有一個引腳輸出爲邏輯0,相當於接地,與之並聯的迴路“相當於被一根導線短路”,所以外電路邏輯電平便爲0,只有都爲高電平時,與的結果才爲邏輯1。

關於推輓輸出和開漏輸出,最後用一幅最簡單的圖形來概括:


該圖中左邊的便是推輓輸出模式,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,爲低電平。右邊的則可以理解爲開漏輸出形式,需要接上拉。


浮空輸入:對於浮空輸入,一直沒找到很權威的解釋,只好從以下圖中去理解了

由於浮空輸入一般多用於外部按鍵輸入,結合圖上的輸入部分電路,我理解爲浮空輸入狀態下,IO的電平狀態是不確定的,完全由外部輸入決定,如果在該引腳懸空的情況下,讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入:這幾個概念很好理解,從字面便能輕易讀懂。
複用開漏輸出、複用推輓輸出:可以理解爲GPIO口被用作第二功能時的配置情況(即並非作爲通用IO口使用)
最後總結下使用情況:
在STM32中選用IO模式
(1) 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入,可以做KEY識別,RX1
(2)帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
(3)帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
(4) 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電
(5)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。當輸出爲1時,IO口的狀態由上拉電阻拉高電平,但由於是開漏輸出模式,這樣IO口也就可以由外部電路改變爲低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化,實現C51的IO雙向功能
(6)推輓輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND, IO輸出1 -接VCC,讀輸入值是未知的
(7)複用功能的推輓輸出_AF_PP ——片內外設功能(I2C的SCL,SDA)
(8)複用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

STM32設置實例:

(1)模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD,接上拉電阻,能夠正確輸出0和1;讀值時先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然後可以讀IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);

(2)如果是無上拉電阻,IO默認是高電平;需要讀取IO的值,可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD;
通常有5種方式使用某個引腳功能,它們的配置方式如下:
1)作爲普通GPIO輸入:根據需要配置該引腳爲浮空輸入帶弱上拉輸入帶弱下拉輸入,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。
2)作爲普通GPIO輸出:根據需要配置該引腳爲推輓輸出開漏輸出,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。
3)作爲普通模擬輸入:配置該引腳爲模擬輸入模式,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。
4)作爲內置外設的輸入:根據需要配置該引腳爲浮空輸入帶弱上拉輸入帶弱下拉輸入,同時使能該引腳對應的某個複用功能模塊。
5)作爲內置外設的輸出:根據需要配置該引腳爲複用推輓輸出複用開漏輸出,同時使能該引腳對應的所有複用功能模塊。

注意如果有多個複用功能模塊對應同一個引腳,只能使能其中之一,其它模塊保持非使能狀態。

比如要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能,則需要配置47腳爲複用推輓輸出或複用開漏輸出,配置48腳爲某種輸入模式,同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。

如果要使用STM32F103VBT6的47腳作爲TIM2_CH3,則需要對TIM2進行重映射,然後再按複用功能的方式配置對應引腳。

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一、GPIO模式配置

 

1、輸入/輸出模式(參考stm32手冊)

2、GPIO輸出模式下,幾種速度的區別:

(1). GPIO 引腳速度: GPIO_Speed_2MHz (10MHz, 50MHz) ;

又稱輸出驅動電路的響應速度:(芯片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路,用戶可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路,通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模塊,達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。)

可理解爲: 輸出驅動電路的帶寬:即一個驅動電路可以不失真地通過信號的最大頻率。

(如果一個信號的頻率超過了驅動電路的響應速度,就有可能信號失真。失真因素?)

如果信號頻率爲10MHz,而你配置了2MHz的帶寬,則10MHz的方波很可能就變成了正弦波。就好比是公路的設計時速,汽車速度低於設計時速時,可以平穩地運行,如果超過設計時速就會顛簸,甚至翻車。

關鍵是: GPIO的引腳速度跟應用相匹配,速度配置越高,噪聲越大,功耗越大。

帶寬速度高的驅動器耗電大、噪聲也大,帶寬低的驅動器耗電小、噪聲也小。使用合適的驅動器可以降低功耗和噪聲

比如:高頻的驅動電路,噪聲也高,當不需要高的輸出頻率時,請選用低頻驅動電路,這樣非常有利於提高系統的EMI性能。當然如果要輸出較高頻率的信號,但卻選用了較低頻率的驅動模塊,很可能會得到失真的輸出信號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配(推薦10倍以上?)。

比如:

① USART串口,若最大波特率只需115.2k,那用2M的速度就夠了,既省電也噪聲小。

② I2C接口,若使用400k波特率,若想把餘量留大些,可以選用10M的GPIO引腳速度。

③ SPI接口,若使用18M或9M波特率,需要選用50M的GPIO的引腳速度。

(2). GPIO的翻轉速度指:輸入/輸出寄存器的0 ,1 值反映到外部引腳(APB2上)高低電平的速度.手冊上指出GPIO最大翻轉速度可達18MHz。

@通過簡單的程序測試,用示波器觀察到的翻轉時間: 是綜合的時間,包括取指令的時間、指令執行的時間、指令執行後信號傳遞到寄存器的時間(這其中可能經過很多環節,比如AHB、APB、總線仲裁等),最後纔是信號從寄存器傳輸到引腳所經歷的時間。 

如:有上拉電阻,其阻值越大,RC延時越大,即邏輯電平轉換的速度越慢,功耗越大。

(3).GPIO 輸出速度:與程序有關,(程序中寫的多久輸出一個信號)。

2、GPIO口設爲輸入時,輸出驅動電路與端口是斷開,所以輸出速度配置無意義。

3、在復位期間和剛復位後,複用功能未開啓,I/O端口被配置成浮空輸入模式。

4、所有端口都有外部中斷能力。爲了使用外部中斷線,端口必須配置成輸入模式。

5、GPIO口的配置具有上鎖功能,當配置好GPIO口後,可以通過程序鎖住配置組合,直到下次芯片復位才能解鎖。

一般應用:

模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電。

浮空輸入_IN_FLOATING ——可以做KEY識別,RX1

開漏輸出_Out_OD——應用於I2C總線; (STM32開漏輸出若外部不接上拉電阻只能輸出0)

二. 管腳的複用功能 重映射

1、複用功能:內置外設是與I/O口共用引出管腳(不同的功能對應同一管腳)

STM32 所有內置外設的外部引腳都是與標準GPIO引腳複用的,如果有多個複用功能模塊對應同一個引腳,只能使能其中之一,其它模塊保持非使能狀態。

2、重映射功能:複用功能的引出腳可以通過重映射,從不同的I/O管腳引出,即複用功能的引出腳位是可通過程序改變到其他的引腳上!

直接好處:PCB電路板的設計人員可以在需要的情況下,不必把某些信號在板上繞一大圈完成聯接,方便了PCB的設計同時潛在地減少了信號的交叉干擾。

如:USART1: 0: 沒有重映像(TX/PA9,RX/PA10); 1: 重映像(TX/PB6,RX/PB7)。

(參考AFIO_MAPR寄存器介紹)[0,1爲一寄存器的bit值]

【注】 下述複用功能的引出腳具有重映射功能:

- 晶體振盪器的引腳在不接晶體時,可以作爲普通I/O口

- CAN模塊; - JTAG調試接口;- 大部分定時器的引出接口; - 大部分USART引出接口

- I2C1的引出接口; - SPI1的引出接口;

舉例:對於STM32F103VBT6,47引腳爲PB10,它的複用功能是I2C2_SCL和 USART3_TX,表示在上電之後它的默認功能爲PB10,而I2C2的SCL和USART3的TX爲它的複用功能;另外在TIM2的引腳重映射後,TIM2_CH3也成爲這個引腳的複用功能。

(1)要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能,則需要配置47腳爲複用推輓輸出或複用開漏輸出,配置48腳爲某種輸入模式,同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。

(2)使用STM32F103VBT6的47腳作爲TIM2_CH3,則需要對TIM2進行重映射,然後再按複用功能的方式配置對應引腳. 

 

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輸入輸出快速切換

#define HD7279_DAT_OUT GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000003<<20 //推輓輸出
#define HD7279_DAT_IN GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000004<<20 //浮空輸入


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