通用输入输出接口

通用输入输出接口

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GPIO功能概述

GPIO是通用输入/输出（General Purpose I/O）的简称，主要用于工业现场需要用到数字量输入/输出的场合，例如：

• 输出功能：继电器、 LED、蜂鸣器等的控制
• 输入功能：传感器状态、高低电平等信息的读取
• 复用功能：片内外设的对外接口
• 时序模拟：模拟SPI、I2C和UART等常用接口的时序

STM32的GPIO特性

• 多种工作模式：输出/输入/复用/模拟
• 灵活的复用模式
• 5V电压容限
• 外部中断功能

端口和引脚

• **端口（PORT）：**独立的外设子模块，包括多个引脚，通过多个硬件寄存器控制引脚。

  GPIO模块由端口GPIOA、GPIOB、GPIOC等多个独立的子模块构成。

  例如：端口GPIOA包括PA0～PA15这16个引脚，通过10个硬件寄存器控制引脚工作。

• **引脚（PIN）：**对应微控制器的一个管脚，归属于端口，由端口寄存器的对应位控制。

  PA0，属于端口GPIOA，输出电平由端口GPIOA的输出数据寄存器GPIOA_ODR的第0位决定。

GPIO电路

GPIO工作模式

工作模式

• 输入模式：浮空输入/上拉输入/下拉输入

  • 浮空输入：按键识别
  • 上拉输入：IO内部上拉电阻输入
  • 下拉输入：IO内部下拉电阻输入

• 输出模式：推挽输出/开漏输出

  • 推挽输出时，P-MOS管和NMOS管轮流工作，可以输出高电平或低电平。主要用于连接数字器件，如指示灯和继电器等模块；
  • 开漏输出时，P-MOS管关闭，只有N-MOS管工作，此时只能输出低电平。要输出高电平必须外加上拉电阻，主要用于I2C总线。

• 模拟模式

  • 模拟状态：表示引脚功能选择为模拟模式，但不作为任何片内模拟外设的复用脚，只是为了减少系统功耗。
  • 模拟外设复用引脚：表示引脚作为片内模拟外设（A/D转换模块、D/A转换模块、模拟比较器等）的复用脚，用于完成相应的功能操作。

  

• 复用模式

  在CubeMX软件的引脚分配图中点击引脚即可弹出引脚的复用功能

  • 复用推挽：片内外设功能（URAT的TX，RX，SPI的MOSI，MISO，SCK，SS ）；
  • 复用开漏：片内外设功能（ I2C的SCL，SDA ）。

基于HAL库控制GPIO

GPIO外设的数据类型

1. **引脚初始化：**采用结构体类型实现，用于定义引脚的序号、工作模式、输出速度等基本特性。
2. **引脚电平状态：**采用枚举类型实现，用于定义引脚的电平状态：高电平和低电平。
3. **引脚所属端口：**采用结构体指针实现，用于访问该端口所对应的寄存器组。

引脚初始化数据类型

• 成员变量Pin的取值范围：GPIO_PIN_0 ~ GPIO_PIN15

• 成员变量Pin的取值范围：

  GPIO_MODE_INPUT	浮空输入模式
  GPIO_MODE_OUTPUT_PP	推挽输出模式
  GPIO_MODE_OUTPUT_OD	开漏输出模式
  GPIO_MODE_AF_PP	复用功能下的推挽模式
  GPIO_MODE_AF_OD	复用功能下的开漏模式
  GPIO_MODE_ANALOG	模拟模式

• 成员变量Pull的取值范围：

  GPIO_NOPULL	没有上拉或下拉电阻激活
  GPIO_PULLUP	上拉电阻激活
  GPIO_PULLDOWN	下拉电阻激活

• 成员变量Speed的取值范围：

  GPIO_SPEED_FREQ_LOW	引脚输出速度2MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM	引脚输出速度12.5MHz～50MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH	引脚输出速度25MHz～100MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH	引脚输出速度50MHz～200MHz

• 成员变量Alternate的取值范围

  • Alternate表示引脚的复用功能；
  • 由于不同型号的STM32微控制器片内集成的外设不同，因此该成员变量的取值范围由芯片型号决定。
  • 以STM32F4系列芯片为例，通过查阅stm32f1xx_hal_gpio_ex.h文件可以了解Alternate的取值范围；
  • 该成员变量的取值一般通过CubeMX软件分配，不需要用户手动设置；

引脚电平状态数据类型

端口数据类型：指向端口寄存器组的结构体指针

GPIOA,GPIOB,GPIOC…

• 不同型号的STM32微控制器的端口数量各不相同；
• 端口数据类型的定义是在以芯片型号命名的.h文件中.

使用HAL库的引脚初始化步骤

1. **定义变量：**利用引脚初始化结构体类型GPIO_InitTypeDef 定义一个结构体变量。
2. **设置模式：**按照引脚的工作模式，依次对该结构体的成员变量赋值，如pin、mode、pull等。
3. **调用函数：**调用初始化函数HAL_GPIO_Init将配置参数写入到对应的寄存器，入口参数为端口号和结构体变量。

GPIO外设接口函数的概述

1. 引脚初始化函数：HAL_GPIO_Init

   函数原型	复位引脚到初始状态
   功能描述	引脚初始化
   入口参数1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是GPIOA～GPIOK
   入口参数2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型GPIO_InitTypeDef的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
   返回值	无
   注意事项	该函数可以由CubeMX软件自动生成

2. 引脚复位函数：HAL_GPIO_DeInit

   函数原型	void HAL_GPIO_DeInit (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
   功能描述	复位引脚到初始状态
   入口参数1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是GPIOA～GPIOK
   入口参数2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型GPIO_InitTypeDef的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
   返回值	无
   注意事项	该函数需要用户调用

3. 读取引脚函数：HAL_GPIO_ReadPin

   函数原型	GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin ( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin )
   功能描述	读取引脚的电平状态
   入口参数1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是GPIOA～GPIOK
   入口参数2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型GPIO_InitTypeDef的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
   返回值	GPIO_PinState：表示引脚电平状态的枚举类型变量，可以是
   GPIO_PIN_SET或GPIO_PIN_RESET
   注意事项	该函数需要用户调用

4. 写入引脚函数：HAL_GPIO_WritePin

   函数原型	void HAL_GPIO_WritePin( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState )
   功能描述	设置引脚输出高/低电平
   入口参数1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是GPIOA～GPIOK
   入口参数2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型GPIO_InitTypeDef的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
   返回值	GPIO_PinState：表示引脚电平状态的枚举类型变量，可以是
   GPIO_PIN_SET或GPIO_PIN_RESET
   注意事项	该函数需要用户调用

5. 翻转引脚函数：HAL_GPIO_TogglePin

   函数原型	void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
   功能描述	翻转引脚状态
   入口参数1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是GPIOA～GPIOK
   入口参数2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型GPIO_InitTypeDef的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
   返回值	无
   注意事项	该函数需要用户调用

任务实践

采用查询方式检测按键状态，按键按下后执行操作：翻转指示灯LD2的状态。

按键消抖：

• 前沿抖动5～10ms，后沿抖动5～10ms

• 按键的抖动会导致一次按键动作被当成多次按键，为确保MCU对按键的一次闭合仅作一次处理，必须消除按键的抖动，在按键处于稳定状态时读取按键的状态。按键的状态机编程实现:

• 硬件消抖：利用RC低通滤波器滤掉抖动

  

• 软件消抖：

  1. 检测出按键闭合后执行延时程序，延时时间为5ms～10ms，用于去掉前沿抖动；
  2. 再次检测按键状态，如果保持闭合状态，才认为按下，并执行相应的按键任务；
  3. 按键的释放可以采用延时或者循环检测的方式去掉后沿抖动。

1. 配置PA0为GPIO_Input，PA1为GPIO_Output

   

2. PA1保持默认GPIO输出模式即可

   

3. PA0配置为输入模式，上拉

   

以上步骤生成如下代码:

stm32f1xx_hal_gpio.c中生成GPIO引脚初始化函数MX_GPIO_Init，并在main.c中调用

• 开启外设时钟RCC
• 配置PA0，PA1两个引脚结构

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PA1 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

1. 编写程序

在main.c中编写程序

	/* USER CODE BEGIN 3 */
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
    {
      HAL_Delay(10);
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
      {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
      }
      while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);
    } 
  }
  /* USER CODE END 3 */