嵌入式分享~IO相关14

编程入门行业动态更新时间:2024-10-26 02:25:18

嵌入式分享~IO相关14

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一、STM32的GPIO电路原理

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。

STM32F103ZET6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口（GPIO）组，分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外，还可以复用为外设功能引脚，比如串口。

GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

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。

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。这里的电路会在下面很详细地分析到。

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。

这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的。如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。

STM32的GPIO工作方式

GPIO支持的输入输出模式：

GPIO_Mode_AIN 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
GPIO_Mode_IPD 下拉输入
GPIO_Mode_IPU 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式：

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。

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。

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。

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。

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。

开漏复用输出模式

开漏复用输出模式，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。

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。

推挽复用输出模式

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。

总结与分析

什么是推挽结构和推挽电路？

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。

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。

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：

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。

在STM32中选用怎样选择I/O模式？

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）

二、单片机之间传输数据的一些方法

MCU之间通信的主要方式

1、采用硬件UART进行异步串行通信

这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。

2、采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式

SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数低端的单片机不具备硬件SPI/I2C外设。

3、可以利用软件模拟SPI/I2C模式通信

这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。

4、口对口并行通信

利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。

5、利用双口RAM作为缓冲器通信

这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。

总结

从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。

针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。

谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。

串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。

采用铁电存储器

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式，铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。

与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。

现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。

2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。

在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

通讯实例

实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）

1 硬件

W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。

78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量。

W78LE52采用11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。

2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。

我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

2 I2C总线仲裁

由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。

带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。

但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。

下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）

用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。

如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。

3 通信协议

一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。

数据包结构：

① 包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

② 地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；

③ 包长度——指示整个数据包的长度；

④ 命令——指示本数据包的作用；

⑤ 参数——需要传送的数据与参数；

⑥ 校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦ 包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。

4 通信流程

首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。