floating输入 高阻输入

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况琪

开源硬件/Arduino/物联网/交互艺术/科技出版

实名反对@李赧郎 和某匿名用户拿STM32来讲解Arduino。STM32的IO口结构跟Arduino的AVR还是有区别的。根据STM32的数据手册来学习AVR会造成误导。

首先要明确IO口的几种常见模式。对于数字IO而言，常见的模式有：推挽输出、开漏输出、浮空输入(高阻输入)、上拉输入、下拉输入。STM32支持上述的所有模式，但很多单片机并不是支持上述所有模式。比如Arduino采用的AVR单片机就不支持开漏输出和下拉输入。

第二要明确“输入阻抗”和“输出阻抗”的概念。例如当IO口输出一个高电平时，IO口内部并非像机械开关那样把一根线直接插到了电源正极上，IO引脚和电源正极之间其实还有电阻的存在。当这个电阻很小的时候，我们称之为“强”，当这个电阻较大时，我们称之为“弱”。这个电阻的一端当然接的是IO引脚，另一端如果接到电源正极，则成为上拉电阻，如果接地，则称为下拉电阻。

先说输出模式。对于Arduino，用pinMode将IO口设为OUTPUT的时候，其实IO的状态为“强推挽”，也就是说设为高电平时，IO口对电源正极的电阻比较小(强上拉)，设为低电平时IO口对地的电阻也比较小(强下拉)，这样IO口就具备了较强的驱动能力。其实也没有强到哪里去，大概几十毫安，能点亮LED而已。这里顺便提一下常见的51单片机，它的IO口总是接通了一个上拉电阻，这个上电阻比较大，所以称为弱上拉，所以51单片机的拉电流驱动能力(IO引脚高电平时电流从IO引脚流向外部电路的能力)比较弱，大概只有100μA左右，这通常只能让LED发出很微弱的光，所以51单片机IO口点亮LED的方式通常为灌电流(电流从外部电路流入IO引脚)。

再说输入模式。对于Arduino，用pinMode将IO口设为INPUT的时候，其实IO的状态为浮空输入，浮空输入也称高阻输入，也就是说输入阻抗非常高。理想状态下，可以认为输入阻抗是无穷大的，大到就像这个引脚断路了一样。就像一个浮在空中的金属丝一样，没有连上任何电路，你让它的电压是多少，它的电压就是多少。这样做是有意义的，因为只有输入阻抗足够大，才能接收到微弱的信号。如果输入阻抗不够大，比如输入端跟地之间有一个1kΩ的电阻，那微弱的输入信号很可能就被直接拉到0V，检测不出来了。但是浮空输入并非在任何情况下都是最好的选择，比如题主在接开关时。开关一头接IO口，一头接地。按下时把IO口拉到0V，读取，低电平，完全符合预期，赞！但是如果开关没有按下，读取，IO这时实际上没有接到任何地方，处于浮空状态，IO口上其实没有电压，或者说可能是任何的电压，这时读取IO口就会发现读到的值是不一定的。有时高有时低，用手摸一下那个引脚，都会使得读到的值抖动，傻眼了，咋办？

这时就需要上拉电阻来救场了，准确地说是弱上拉。Arduino的AVR单片机内置了上拉电阻，只要通过程序打开就可以，开启上拉电阻后，IO口会通过一个比较大的电阻(比如100kΩ)接到电源正极，尽管是比较大的电阻，但这个电阻仍然远远小于IO口浮空的输入阻抗，所以这个电阻就可以在IO口没有外部输入时把IO口的电平可靠维持在一个比较高的水平，读出的也都是高电平了。

这个时候就可以回答题主的问题了。

问题1问的是为什么可以对一个输入引脚执行write操作。答案就是，当对一个已经设定为输入状态的IO口digitalWrite为HIGH时，就会启动这个引脚的上拉电阻。没有为什么，Arduino在实现digitalWrite这个函数时就是这么写的。很扯淡对吧？这其实是一个历史遗留问题，Arduino在早期的版本中并未封装对上拉电阻的操作，在那个时候，你的这种开关电路只能在外部连接一个上拉电阻。在Arduino 1.0之后，才在其库中支持了上拉电阻。其实更好的方法是修改pinMode函数的实现，将INPUT分为INPUT_FLOATING和INPUT_PULLUP。但这就意味着之前所有玩家们开发的代码都需要修改后才能运行，于是Arduino就想出了这么一个歪招，用digitalWrite实现了上拉。需要注意的是，AVR不具备内置的下拉电阻，所以对已经设为INPUT的引脚digitalWrite为LOW，是没有任何效果的。

问题2是为什么可以对一个已经有电压的引脚再接入别的电压，从而改变其电压，而不会造成短路。答案就是4个字——“输出阻抗”。刚才说了在输入引脚上的上拉电阻是个弱上拉，所以当你把弱上拉到高电平的引脚接地时，就相当于把电源正极和地之间连接了一个很大的电阻(例如100kΩ)，假设弱上拉电阻是100kΩ，根据欧姆定律，只有50μA的电流从中通过，完全不会带来伤害。但是如果你把设为输出状态的引脚设为高电平后再接地，情况就很不