GPIO口详解、HAL库操作按键

本次博客知识来自于韦东山老师的7天物联网课程。

一、GPIO详解

1、STM32F103C8T6一共有48个引脚。

2、按A、B、C分组，每组16个引脚，编号为0~15，STM32F103C8T6有2组GPIO，每组有16个引脚，即32个GPIO引脚。

3、GPIO工作模式

STM32F103系列的I/O引脚共有8种工作模式，其中输出模式有四种：推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出；输入模式有四种：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入。

• 推挽输出（ Push-Pull， PP）

        推挽结构由两个MOS管按互补对称的方式连接，任意时刻总是其中一个三极管导通，另一个三极管截止。如上图1所示，内部由一个P-MOS管和一个N-MOS管组成，两个MOS管的栅极（ Gate， G）接到了左侧“输出控制” ，漏极（ Drain， D）接到外部输出， P-MOS管的源极（ Source， S）接到VDD（ 3.3V），N-MOS管的源极接到Vss（ 0V）。

        MOS管作为开关使用，“输出控制”向两个MOS管栅极加一定电压， P-MOS管源极和漏极之间导通，VDD 经过P-MOS管的S->G->D输出， N-MOS管处于高阻态（电阻很大，近似开路），整体对外为高电平；“输出控制”取消向两个MOS管栅极施加电压， P-MOS管源极和栅极截止， P-MOS管处于高阻态， N-MOS管源极和漏极导通，整体对外为低电平。
        MOS管作为开关使用，“输出控制”向两个MOS管栅极加一定电压， P-MOS管源极和漏极之间导通，VDD 经过P-MOS管的S->G->D输出， N-MOS管处于高阻态（电阻很大，近似开路），整体对外为高电平；“输出控制”取消向两个MOS管栅极施加电压， P-MOS管源极和栅极截止， P-MOS管处于高阻态， N-MOS管源极和漏极导通，整体对外为低电平。

• 开漏输出（ Open-Drain， OD）

        开漏模式下，“输出控制”不会控制P-MOS管， “输出控制”只会向N-MOS管栅极加一定电压， 两个MOS管都处于截止状态，两个漏极处于悬空状态，称之为漏极开路。“输出控制”取消栅极的施加电压， PMOS管依旧处于高阻态， N-MOS管导通，整体对外为低电平。    

        开漏输出模式可以等效将上图中灰色框的P-MOS管看作不存在。即该模式下只能输出低电平，若要输出高电平，则需要外接电阻，所接的电阻称为上拉电阻，此时输出电平取决于此时上拉电阻的外部电源电压情况，如上图中红色VCC+电阻的外部电路。

        推挽输出模式可以直接输出高电平，开漏输出模式需要外接上拉电阻才能输出高电平，但开漏输出拥有一些推挽输出不具有的特性：
        ①利用外部电路驱动能力。如上图所示，“输出控制”只需要提供一个很小的栅极驱动电流， VCC经过上拉电阻为外部负载提高驱动电流；
        ②实现电平转换。推挽输出模式由VDD提供，即只能提供3.3V电平。使用开漏输出模式后， VCC可以为5V，从而实现了电平转换的效果。

        ③方便实现“逻辑与”功能。多个开漏的引脚可以直接并在一起使用，统一接一个合适的上拉电阻，就可以实现“逻辑与”关系，即当所有引脚均输出高电平时，输出才为高电平，若任一引脚输出低电平，则输出低电平。在I2C、 SMBUS等总线电路中经常会用到。

        VCC可以接5V/3.3V，提高引脚的驱动能力，以为芯片内部结构电路很细，能够经过的电流是有限的，在外部加上一个很粗的电路接上，就可以驱动很大的电流。如果VCC是5V就可以实现电平转换的功能，因为正常情况下，IO口输出是3.3V。

• 复用功能推挽/开漏输出（ Alternate Function， AF）

        GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外，还可以作为片上外设（ USART、 I2C、 SPI等）专用引脚，即一个引脚可以有多种用途，但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。
        当引脚设置为复用功能时，可选择复用推挽输出模式或复用开漏输出模式，在设置为复用开漏输出模式时，需要外接上拉电阻。

• 上拉输入模式（ Input Pull-up）

        如上图所示， VDD经过开关、上拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合， 外部I/O无输入信号时，默认输入高电平。该模式的典型应用就是外接按键，当没有按键按下时候， MCU的引脚为确定的高电平，当按键按下时候，引脚电平被拉为低电平。

• 下拉输入模式（ Input Pull-down）

        如上图所示， Vss经过开关、下拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时，默认输入低电平。该模式的典型应用同样是外接按键，当没有按键按下时候， MCU的引脚为确定的低电平，当按键按下时候，引脚电平被拉为高电平。

• 浮空输入模式（ Floating Input）

        如上图所示，两个上/下拉电阻开关均断开，既无上拉也无下拉， I/O引脚直接连接TTL肖特基
触发器，此时I/O引脚浮空，读取的电平是不确定的，外部信号是什么电平， MCU引脚就输入什么电平。 MCU复位上电后，默认为浮空输入模式。

• 模拟输入模式（ Analog mode）

        如上图所示，两个上/下拉电阻开关均断开，同时TTL肖特基触发器开关也断开，引脚信号直接连接模拟输入，实现对外部信号的采集。

二、cubeMX设置GPIO

1、先选择一个GPIO，这里选择为PA1为输出。

2、点击左侧的GPIO。

3、点击中间的PA1选项，之后即可设置PA1的详细参数。

4、这里可以设置默认输出电平、输出模式、是否上下拉、时钟的频率高中低。

 5、可以为PA1设置一个别名，这里取为LED。 在代码中体现为：在mian()找到MX_GPIO_Init()，然后右键go to definition，即可找到。

 

 三、cubeMX操作按键

1、按键的硬件分析

 

 机械按键在按下过程中会有抖动，所以会有硬件消抖和软件消抖，硬件消抖为上图中的电容。

2、cubeMX生成工程框架

PA0选择输入模式，因为为硬件上拉，所以不用选择上下拉。默认按键松开时，IO读取为高电平，按键按下时，IO读取为低电平。

PA1设置为输出，控制LED灯。

3、keil些控制逻辑

在main()函数的while循环里，写控制逻辑，设置了延时8ms的软件消抖。按键按下为按键为LED熄灭，松开为LED亮。

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        HAL_Delay(8);
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    }
  /* USER CODE END 3 */
}