STM32基础知识：GPIO(通用输入输出接口)

CHANBAEK 2023-10-24 6604

CHANBAEK

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描述

GPIO(通用输入输出接口)

1 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

2 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

3 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。

4 GPIO 电路

HAL库

5 GPIO 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。HAL库
  • 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 ）。

6 基于 HAL 库控制 GPIO

6.1 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

HAL库

  • 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 STM32F1 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

HAL库

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.

6.2 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。

6.3 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 1GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
    入口参数 2GPIO_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 1GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
    入口参数 2GPIO_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 1GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
    入口参数 2GPIO_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 1GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
    入口参数 2GPIO_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 1GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
    入口参数 2GPIO_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

基于STM32F103C8T6，开发板原理图

HAL库

采用查询方式检测按键KEY1状态，按键按下后执行操作：翻转指示灯 LED1 的状态。

注：本任务例程使用的开发板，LED1与STM32的PA1相连接，KEY1与PA0相连接。KEY1原理图如下：

HAL库

使用按键时，需要设置PA0为输入上拉模式，这样在KEY1没有按下时，PA0可以读取到高电平，KEY1按下时PA0可以读取到低电平。

按键消抖：

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

下图为按键按下时，电压波形的变化。

HAL库

  • 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。
  • 硬件消抖：利用 RC 低通滤波器滤掉抖动
    HAL库
  • 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
    HAL库
  2. PA1 保持默认 GPIO 输出模式即可
    HAL库
  3. PA0 配置为输入模式，上拉
    HAL库

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_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  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 */
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