STM32微控制器_03_GPIO原理与应用

核心内容

• STM32 GPIO基本原理（熟悉）
• GPIO输出功能HAL库编程实现的应用（重点）
• GPIO输入功能HAL库编程实现的应用（重点）

一.STM32 GPIO基本原理

1.GPIO简介

STM32的GPIO相当于STM32的四肢，一个STM32芯片被封装好后，能与外部直接进行交互的就是它的GPIO。查看数据手册Figure 7. STM32F103xC/D/E performance line LQFP64 pinout。

IO引脚从PA0-PA15；PB0-PB15；PC0-PC15。

2.端口的复用和重映射

端口复用功能

查看Table 5. High-density STM32F103xC/D/E pin definitions，我们发现STM32 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 复用的。也就是说，一个 GPIO如果可以复用为内置外设的功能引脚，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。具体的案例我们到串口章节再做阐述。

端口重映射

为了使不同器件封装的外设 IO 功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一 些引脚上。STM32 中有很多内置外设的输入输出引脚都具有重映射(remap)的功能。我们知道每个内置外设都有若干个输入输出引脚，一般这些引脚的输出端口都是固定不变的，为了让设计工程师可以更好地安排引脚的走向和功能，在 STM32 中引入了外设引脚重映射的概念，即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。具体可以参照《STM32 中文参考手册 V10》的 P116 页“8.3 复用功能和调试配置”。

3.GPIO工作模式

STM32的I/O 端口有8种模式（4种输入模式和4种输出模式），每个 I/O 端口位支持3种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz），均可自由编程。
输出模式下可通过控制端口输出高低电平，来驱动蜂鸣器，发光二极管等类似的元件，也可以用来软件模拟时序等应用。 输入模式下可通过读取端口的状态，用来判断传感器状态，读取电池电压，软件模拟时序等应用。关于STM32的GPIO模式如下所示：

4种输入模式：

• 浮空输入（GPIO_Mode_IN_FLOATING）
  
  在浮空输入模式里，由于无上下拉电阻的作用，mcu通过直接读取输入数据寄存器的值来获取外部io端口的电平信号。即输入的信号完全由外部的输入决定，当外部无信号输入时，表现为该引脚悬空，表示该端口的电平是不确定的。
• 上拉输入(GPIO_Mode_IPU)：
  
  在上拉输入模式里，由于上拉电阻开关导通，mcu通过读取输入数据寄存器的值来获取电平信号。当外部无信号输入时，由于上拉电阻的作用，表现为该引脚为高电平，即io口默认为高电平，如果输入的信号为低电平，那么mcu读取到的信号为低电平。
• 下拉输入(GPIO_Mode_IPD)：
  
  在下拉输入模式里，由于下拉电阻开关导通，mcu通过读取输入数据寄存器的值来获取电平信号。当外部无信号输入时，由于下拉电阻的作用，表现为该引脚为低电平，即io口默认为低电平，如果输入的信号为高电平，那么mcu读取到的信号为高电平。
• 模拟输入(GPIO_Mode_AIN)：
  
  在模拟输入模式下，GPIO的引脚用于ADC采集电压的输入通道，此时信号不经过施密特触发器，上下拉电阻也不起作用。信号将直接进入ADC模块。使用输入数据寄存器获取不到电平信号，表现为空，该模式下无法督导引脚的电平状态。

4种输出模式：

开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)：

在开漏输出模式下，只有N-MOS管工作，当我们控制输出信号为低电平时，N-MOS管导通，此时引脚输出低电平，io端口的电平就是低电平。当我们控制输出信号为高电平时，N-MOS管关闭，输出指令无效，此时io端口的电平悬空或由外部的上下拉电路决定。即在开漏输出模式下，io口的电平不一定是输出的电平。

• 推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)：
  
  在推挽输出模式下，N-MOS管和P-MOS管都工作。当我们控制输出信号为低电平时，P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出低电平，io口的电平就是低电平。当我们控制输出信号为高电平时，P-MOS管导通，N-MOS管关闭，输出高电平，io口的电平就是高电平。如果无控制输出信号，那么io口的电平由外部上下拉电路决定。

• 复用开漏输出(GPIO_Mode_AF_OD)：
  
  在复用开漏输出模式下，GPIO复用为其他外设，输出的高低电平来源源自其他外设，除了输出来源的改变，其他与开漏输出模式相同。

• 复用推挽输出(GPIO_Mode_AF_PP)：
  
  在复用推挽输出模式下，GPIO复用为其他外设，输出的高低电平来源源自其他外设，除了输出来源的改变，其他与推挽输出模式相同。

输出速度

GPIO的I/O引脚用于输出模式是右三种速度选择，分别基于2MHz、10MHz和50MHz频率。“速度”指的是输出驱动电路的响应速度，并不是输出信号的速度。
I/O端口的输出部分设计有多个响应不同速度的驱动电路，应该根据需求选择相匹配的驱动电路，达到最佳的噪声控制效果，并降低功耗。
● 对于LED、数码管、蜂鸣器等低速设备，一般设置2MHz;
● 对于串口，一般2MHz引脚速度；
● 对于I2C接口，可以选用10MHz的引脚速度；
● 对于SPI接口，可以选择50MHz的引脚速度。
● 对于复用功能的，一般设置50MHz的引脚速度。
当GPIO的I/O引脚设置为输入模式时，不需要配置输出速度。

二.GPIO输出功能HAL库编程实现的应用

项目：通过控制GPIO实现控制8个LED灯的亮灭，实现流水灯。

2.1硬件设计

LED灯

LED(light-emitting diode)，即发光二极管，俗称 LED 小灯，它的种类很多，参数也不尽相同，我们板子上用的是普通的贴片发光二极管。这种二极管通常的正向导通电压是 1.8V 到 2.2V 之间，工作电流一般在 1mA～20mA 之间。其中，当电流在 1mA～5mA 之间变化时， 随着通过 LED 的电流越来越大，我们的肉眼会明显感觉到这个小灯越来越亮，而当电流从 5mA～20mA 之间变化时，我们看到的发光二极管的亮度变化就不是太明显了。当电流超过 20mA 时，LED 就会有烧坏的危险了，电流越大，烧坏的也就越快。

LED0-LED7分别连接PC0-PC7。
电阻R是限流电阻。Rmax = (3300 - 2000)mV/1mA = 1.3K
Rmin = (3300 - 2000)mV/20mA = 65R，这里取了510R。
当单片机为低电平的时候LED亮，高电平时候LED灭。

蜂鸣器

蜂鸣器从结构区分分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。压电式为压电陶瓷片发音，电流比较小一些，电磁式蜂鸣器为线圈通电震动发音，体积比较小。
按照驱动方式分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。这里的有源和无源不是指电源，而是振荡源。有源蜂鸣器内部带了振荡源，两端有电压就会响。无源蜂鸣器则没有自带震荡电路，必须外部提供 2~5Khz 左右的方波驱动，才能发声。我们能否直接用单片机IO口来驱动蜂鸣器呢？
让我们来分析下：STM32 的单个 IO 最大可以提供 25mA 电流（来自数据手册），而蜂鸣器的驱动电流是 30mA 左右， 两者十分相近，但是全盘考虑，STM32 整个芯片的电流，最大也就 150mA，所以我们用了一个 PNP 三极管（S8550）来驱动蜂鸣器，R25 主要用于控制 PNP 管饱和导通作用。当 PB.8 输出低电平的时候，蜂鸣器将发声，当 PB.8 输出高电平的时候，蜂鸣器停止发声。

2.2软件设计

利用我们上节课讲的HAL库的工程模板，拷贝一份到新的文件中，然后在工程模板的根目录下新建HARDWARE文件夹，如下图所示。

这个HARDWARE文件夹里面就是放我们所涉及的外设，比如LED，BEEP，我们就在里面新建对应外设文件夹。接着打开该工程，创建HARDWARE组，添加新建对应外设的.c和.h文件并添加到该组里面。如led.c。

LED灯软件设计

STM32CubuMX 配置 实现8个LED灯的初始化。具体实现就不展开分析。生成代码后打开工程main.c文件中MX_GPIO_Init()就是LED的初始化函数。把该函数复制到我们的led.c文件中。

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3 
                          |GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pins : PC0 PC1 PC2 PC3 
                           PC4 PC5 PC6 PC7 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3 
                          |GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

接下来分析GPIO和主要HAL库函数，查看对应的hal库stm32f1xx_hal_gpio.c文件进行分析。

• __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();时钟打开与关闭
• HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)；初始化GPIO
• HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);回复默认的GPIO引脚
• GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);读出GPIOx对应的IO口电平状态
• HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)；写GPIOx对应的IO口电平状态
• HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);翻转GPIOx对应的IO口电平状态。
  我们要实现流水灯，如何实现呢？循环实现，位操作。如下代码所示。

//软件延时
void LED_Delay(void)
{
	u32 i = 0;
	u32 j = 0;
	for(i = 0; i < 10000; i++){
		for(j = 0; j < 500; j++){
			;
		}
	}
}
//LED流水灯测试功能
void LED_Test(void)
{
	u8 i = 0;
	u16 pin = GPIO_PIN_0;
	for(i = 0 ; i < 8; i++){
		//先全部灭了8个灯
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3 
                          |GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
		//从左到右点亮led灯
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, pin, GPIO_PIN_RESET);
		LED_Delay();
		pin = pin << 1;
	}
}

最后在编译成功之后，我们就可以下载代码到 NANO STM32 开发板上，实际验证一下我们的程序是否正确。
作业1：编写代码实现控制蜂鸣器的响或者灭。

三.GPIO输入功能HAL库编程实现的应用

3.1硬件设计

按键电路及其引脚链接如上图所示，KEY0-KEY2默认是高电平，按下是低电平，WK_UP按下是高电平，默认是低电平。

3.2软件设计

我们跟上节软件设计一样利用HAL库的工程模板，拷贝一份到新的文件中，然后在工程模板的根目录下新建HARDWARE文件夹，我们就在里面新建对应外设文件夹。接着打开该工程，创建HARDWARE组，添加新建对应外设的.c和.h文件并添加到该组里面。

按键KEY软件设计

STM32CubuMX 配置实现4个LED灯的初始化和4个KEY的初始化。具体实现就不展开分析。生成代码后打开工程main.c文件中MX_GPIO_Init()就是LED的初始化函数。把该函数复制到我们的KEY.c文件中。

static void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);

  /*Configure GPIO pins : PC0 PC1 PC2 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pins : PC8 PC9 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PD2 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

}

那接下来判断按键状态，相应的控制led灯的亮灭。
常规的根据按下的电平编写逻辑，有啥问题？根据现象进行思考？

void KEY_Scan1(void)
{
	//KEY0按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_8)){
//		delay_ms(10);  //防抖动
//		if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_8)){
//			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0);
//		}
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0);
	}
	//KEY1按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_9)){
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_1);
	}
	//KEY2按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOD, GPIO_PIN_2)){
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_2);
	}
	//KEY_UP按下
	if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0)){
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
	}
}

现象：按键不灵，多次执行；原因：按键抖动，软件查询的方式处理导致多次扫描到。怎么解决整个问题？
抖动/消抖：通常按键所用的开关都是机械弹性开关，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就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动。

按键稳定闭合时间长短是由操作人员决定的，通常都会在 100ms 以上，刻意快速按的话能达到 40-50ms 左右，很难再低了。抖动时间是由按键的机械特性决定的，一般都会在 10ms以内，为了确保程序对按键的一次闭合或者一次断开只响应一次，必须进行按键的消抖处理。当检测到按键状态变化时，不是立即去响应动作，而是先等待闭合或断开稳定后再进行处理。
按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。
硬件消抖就是在按键上并联一个电容。这是利用电容的充放电来消抖。实际项目中这样的效果不是很好，因为电容值很难精确确定，不经常使用。

最简单的软件消抖原理，就是当检测到按键按下后，先等待一个 10ms 左右的延时时间，让抖动消失后再进行一次按键状态检测，如果与刚才检测到的状态相同，就可以确认按键已经稳定的动作了。

if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_8)){
		delay_ms(10);  //防抖动
		if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_8)){
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0);
		}
}

对此判断：上一次按下的键值和当此的按下的键值是否不相等，相等就说明多次扫描到，不相等才有效。所以整合代码。

//KEY 扫描，获得键值
u8 KEY_Scan(void)
{
	u8 keynum = KEYNOPRESS;		//默认没有按键按下，也就是都是弹起状态
	//KEY0按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_8)){
		keynum = KEY0;
	}
	//KEY1按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_9)){
		keynum = KEY1;
	}
	//KEY2按下
	if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOD, GPIO_PIN_2)){
		keynum = KEY2;
	}
	//KEY_UP按下
	if(GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0)){
		keynum = KEYUP;
	}
	return keynum;
}

//KEY处理
void KEY_Handle(void)
{
	static u8 lastkey = KEYNOPRESS;
	u8 keynum = 0;
	keynum = KEY_Scan(); //获取键值
	//上一次的键值和当此的键值是否不相等,说明有按键按下
	if(keynum != lastkey){
		delay_ms(10);  //防抖动
		if(keynum == KEY_Scan()){	//再次获取键值,有没有发生改变，按键有效
			if(KEY0 == keynum){
				HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0);
			}
			else if(KEY1 == keynum){
				HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_1);
			}
			else if(KEY2 == keynum){
				HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_2);
			}
			else if(KEYUP == keynum){
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
			}
			lastkey = keynum;	//更新上一次的键值
		} 
	}
}

最后在编译成功之后，我们就可以下载代码到 NANO STM32 开发板上，实际验证一下我们的程序是否正确。

作业2：通过按键KEY1和KEY_UP控制蜂鸣器的响或者灭。KEY1按下响，KEY_UP按下不响。