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STM32输入输出模式理解  

2016-08-30 14:10:44|  分类: STM32 |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://www.openedv.com/thread-32730-1-2.html

最近在看数据手册的时候,发现在Cortex-M3里,对于GPIO的配置种类有8种之多:

1GPIO_Mode_AIN 模拟输入 
2GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

3GPIO_Mode_IPD 下拉输入
4GPIO_Mode_IPU 上拉输入

5GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

6GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
7GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
8GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出


对于刚入门的新手,我想这几个概念是必须得搞清楚的,平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种,但一直未曾对这些做过归纳。因此,在这里做一个总结:

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

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。

详细理解:

STM32输入输出模式理解 - FY - FY

如图所示,推挽放大器的输出级有两个“臂”(两组放大元件),一个“臂”的电流增加时,另一个“臂”的电流则减小,二者的状态轮流转换。对负载而言,好像是一个“臂”在推,一个“臂”在拉,共同完成电流输出任务。当输出高电平时,也就是下级负载门输入高电平时,输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来,输出高低电平时,VT3 一路和 VT5 一路将交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使RC常数很小,转变速度很快。因此,推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 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).

开漏形式的电路有以下几个特点:

1.利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ,MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。

2.一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻,很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度

3.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式,但是也有其弱点,就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电,所以当电阻选择小时延时就小,但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求,则建议用下降沿输出。

4.可以将多个开漏输出的Pin,连接到一条线上。通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成与逻辑关系。这也是I2CSMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充:什么是“线与”?:

在一个结点(线),连接一个上拉电阻到电源VCCVDDnNPNNMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,只要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.如果这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.

其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时,外接一上拉电阻,如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以外电路逻辑电平便为0,只有都为高电平时,与的结果才为逻辑1。

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:

STM32输入输出模式理解 - FY - FY
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。


浮空输入:对于浮空输入,一直没找到很权威的解释,只好从以下图中去理解了

STM32输入输出模式理解 - FY - FY

由于浮空输入一般多用于外部按键输入,结合图上的输入部分电路,我理解为浮空输入状态下,IO的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定,如果在该引脚悬空的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入/下拉输入/模拟输入:这几个概念很好理解,从字面便能轻易读懂。
复用开漏输出、复用推挽输出:可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用IO口使用)
最后总结下使用情况:
在STM32中选用IO模式
(1) 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1
(2)带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
(3)带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
(4) 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
(5)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
(6)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
(7)复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL,SDA)
(8)复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

STM32设置实例:

(1)模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD,接上拉电阻,能够正确输出0和1;读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然后可以读IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);

(2)如果是无上拉电阻,IO默认是高电平;需要读取IO的值,可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD;
通常有5种方式使用某个引脚功能,它们的配置方式如下:
1)作为普通GPIO输入:根据需要配置该引脚为浮空输入带弱上拉输入带弱下拉输入,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
2)作为普通GPIO输出:根据需要配置该引脚为推挽输出开漏输出,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
3)作为普通模拟输入:配置该引脚为模拟输入模式,同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4)作为内置外设的输入:根据需要配置该引脚为浮空输入带弱上拉输入带弱下拉输入,同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
5)作为内置外设的输出:根据需要配置该引脚为复用推挽输出复用开漏输出,同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚,只能使能其中之一,其它模块保持非使能状态。

 


 

 

比如要使用STM32F103VBT6的47、48脚的USART3功能,则需要配置47脚为复用推挽输出或复用开漏输出,配置48脚为某种输入模式,同时使能USART3并保持I2C2的非使能状态。

如果要使用STM32F103VBT6的47脚作为TIM2_CH3,则需要对TIM2进行重映射,然后再按复用功能的方式配置对应引脚。

 

 

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一、GPIO模式配置

 

1、输入/输出模式(参考stm32手册)

2、GPIO输出模式下,几种速度的区别:

(1). GPIO 引脚速度: GPIO_Speed_2MHz (10MHz, 50MHz) ;

又称输出驱动电路的响应速度:(芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路,用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路,通过选择速度来选择不同的输出驱动模块,达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。)

可理解为: 输出驱动电路的带宽:即一个驱动电路可以不失真地通过信号的最大频率。

(如果一个信号的频率超过了驱动电路的响应速度,就有可能信号失真。失真因素?)

如果信号频率为10MHz,而你配置了2MHz的带宽,则10MHz的方波很可能就变成了正弦波。就好比是公路的设计时速,汽车速度低于设计时速时,可以平稳地运行,如果超过设计时速就会颠簸,甚至翻车。

关键是: GPIO的引脚速度跟应用相匹配,速度配置越高,噪声越大,功耗越大。

带宽速度高的驱动器耗电大、噪声也大,带宽低的驱动器耗电小、噪声也小。使用合适的驱动器可以降低功耗和噪声

比如:高频的驱动电路,噪声也高,当不需要高的输出频率时,请选用低频驱动电路,这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块,很可能会得到失真的输出信号。关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配(推荐10倍以上?)。

比如:

① USART串口,若最大波特率只需115.2k,那用2M的速度就够了,既省电也噪声小。

② I2C接口,若使用400k波特率,若想把余量留大些,可以选用10M的GPIO引脚速度。

③ SPI接口,若使用18M或9M波特率,需要选用50M的GPIO的引脚速度。

(2). GPIO的翻转速度指:输入/输出寄存器的0 ,1 值反映到外部引脚(APB2上)高低电平的速度.手册上指出GPIO最大翻转速度可达18MHz。

@通过简单的程序测试,用示波器观察到的翻转时间: 是综合的时间,包括取指令的时间、指令执行的时间、指令执行后信号传递到寄存器的时间(这其中可能经过很多环节,比如AHB、APB、总线仲裁等),最后才是信号从寄存器传输到引脚所经历的时间。 

如:有上拉电阻,其阻值越大,RC延时越大,即逻辑电平转换的速度越慢,功耗越大。

(3).GPIO 输出速度:与程序有关,(程序中写的多久输出一个信号)。

2、GPIO口设为输入时,输出驱动电路与端口是断开,所以输出速度配置无意义。

3、在复位期间和刚复位后,复用功能未开启,I/O端口被配置成浮空输入模式。

4、所有端口都有外部中断能力。为了使用外部中断线,端口必须配置成输入模式。

5、GPIO口的配置具有上锁功能,当配置好GPIO口后,可以通过程序锁住配置组合,直到下次芯片复位才能解锁。

一般应用:

模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电。

浮空输入_IN_FLOATING ——可以做KEY识别,RX1

开漏输出_Out_OD——应用于I2C总线; (STM32开漏输出若外部不接上拉电阻只能输出0)

二. 管脚的复用功能 重映射

1、复用功能:内置外设是与I/O口共用引出管脚(不同的功能对应同一管脚)

STM32 所有内置外设的外部引脚都是与标准GPIO引脚复用的,如果有多个复用功能模块对应同一个引脚,只能使能其中之一,其它模块保持非使能状态。

2、重映射功能:复用功能的引出脚可以通过重映射,从不同的I/O管脚引出,即复用功 能的引出脚位是可通过程序改变到其他的引脚上!

直接好处:PCB电路板的设计人员可以在需要的情况下,不必把某些信号在板上绕一大圈完成联接,方便了PCB的设计同时潜在地减少了信号的交叉干扰。

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

(参考AFIO_MAPR寄存器介绍)[0,1为一寄存器的bit值]

【注】 下述复用功能的引出脚具有重映射功能:

- 晶体振荡器的引脚在不接晶体时,可以作为普通I/O口

- CAN模块; - JTAG调试接口;- 大部分定时器的引出接口; - 大部分USART引出接口

- I2C1的引出接口; - SPI1的引出接口;

举例:对于STM32F103VBT6,47引脚为PB10,它的复用功能是I2C2_SCL和 USART3_TX,表示在上电之后它的默认功能为PB10,而I2C2的SCL和USART3的TX为它的复用功能;另外在TIM2的引脚重映射后,TIM2_CH3也成为这个引脚的复用功能。

(1)要使用STM32F103VBT6的47、48脚的USART3功能,则需要配置47脚为复用推挽输出或复用开漏输出,配置48脚为某种输入模式,同时使能USART3并保持I2C2的非使能状态。

(2)使用STM32F103VBT6的47脚作为TIM2_CH3,则需要对TIM2进行重映射,然后再按复用功能的方式配置对应引脚. 

 

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输入输出快速切换

#define HD7279_DAT_OUT GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000003<<20 //推挽输出
#define HD7279_DAT_IN GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000004<<20 //浮空输入

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