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纯干货!GPIO八大工作模式介绍

发布时间:2021-11-08 15:42:26

GPIO八大工作模式介绍
初学者在使用STM32时,常常会被GPIO中的八大工作模式搞得很是狼狈,究其原因无非就是八大工作模式的功能很是模糊,以下为大家详细介绍八大工作模式,希望能帮助大家更好的理解和应用。

GPIO是通用输入/输出端口的简称,是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接,可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。由于STM32版本不同,因此引脚数量和功能也会不同,所以GPIO在进行设置时会有所差异。大部分STM32引脚除了作为简单的GPIO使用外,还会被复用于其他功能,比如USART,这些在STM32手册中会有详细介绍,使用时需要根据不同的型号进行选择。


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GPIO内部电路介绍

每个GPIO内部都会有一个电路结构,下图即为该结构,GPIO的大部分功能实现都与其相关。

以下是对电路图中部分内容介绍:

(1)保护二极管:IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时,上方的二极管导通;当引脚电压低于VSS时,下方的二极管导通,防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。

但是尽管如此,还是不能直接外接大功率器件,须加大功率及隔离电路驱动,防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

(2) P-MOS管和N-MOS管:由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。

(3)TTL肖特基触发器:信号经过触发器后,模拟信号转化为0和1的数字信号。但是,当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时,用其“模拟输入”功能,此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。


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GPIO八大工作模式介绍

GPIO的工作模式分为:浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入、开漏输出、复用开漏输出、推挽输出、复用推挽输出等八种工作模式,同时还会支持三种最大翻转速度依次为:2MHz\10MHz\50MHz。

以下为STM32使用中工作模式的定义:

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

GPIO_Mode_AIN 模拟输入

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

(1) 浮空输入模式

浮空输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说,I/O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(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

(2) 上拉输入模式

上拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在高电平;并且在I/O端口输入为低电平的时候,输入端的电平也还是低电平。

(3) 下拉输入模式

下拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在低电平;并且在I/O端口输入为高电平的时候,输入端的电平也还是高电平。

(4) 模拟输入模式

模拟输入模式下,I/O端口的模拟信号(电压信号,而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块,比如ADC模块等等。

(5) 开漏输出模式

开漏输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经N-MOS管,最终输出到I/O端口。

这里要注意N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定;当设置输出的值为低电平的时候,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就是低电平。

同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,I/O端口的电平不一定是输出的电平。

(6) 复用开漏输出模式

复用开漏输出模式,与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

(7) 推挽输出模式

推挽输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经P-MOS管和N-MOS管,最终输出到I/O端口。

这里要注意P-MOS管和N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,P-MOS管处于开启状态,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定:高电平;当设置输出的值为低电平的时候,P-MOS管处于关闭状态,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定:低电平。

同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

(8) 复用推挽输出模式

推挽复用输出模式,与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。


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推挽结构和推挽电路的区别

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

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。


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开漏输出和推挽输出的区别

开漏输出:只可以输出强低电平,高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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);

推挽输出:可以输出强高、低电平,连接数字器件。

左图为推挽输出模式,右图为开漏输出模式


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STM32中I/O模式选择

浮空输入_IN_FLOATING——浮空输入,可以做KEY识别,RX1

带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入

带下拉输入_IPD——IO内部下拉电阻输入

模拟输入_AIN——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电

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

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

复用功能的推挽输出_AF_PP——片内外设功能(I2C的SCL、SDA)

复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1、MOSI、MISO.SCK.SS)

好了,以上就是GPIO中的八大工作模式介绍,希望能对大家的学习有所帮助!

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