STM32F103GPIO工作模式及原理

GPIO简介

GPIO，全称为通用输入输出端口，是STM32系列微控制器中的一个重要概念。STM32芯片的GPIO引脚可以被配置为输入模式或输出模式，实现与外部设备的通信、控制以及数据采集功能。

GPIO工作模式

输入模式

1. 浮空输入
2. 上拉输入
3. 下拉输入
4. 模拟输入

输出模式

1. 开漏输出
2. 推挽输出
3. 推挽式复用功能
4. 开漏式复用功能

输出速度

• 2MHz
• 10MHz
• 50MHz

GPIO框图和电路解析

电路标识

• VDD通常指的是正电源电压，即芯片的工作电压。它是为芯片内部逻辑电路提供电源的，使得芯片能够正常工作。
• VSS通常指的是地线或0V参考电压。它是为芯片内部逻辑电路提供参考电压的，使得芯片内部逻辑能够正常工作。
• VDD_FT 对5伏容忍I/O脚是特殊的，它与VDD不同

电路元件

• 保护二极管：保护二极管的作用是防止引脚外部过高或过低的电压输入。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，从而保护芯片不受异常电压的损坏。 然而，尽管有二极管的保护，大电压和大电流的接入仍可能烧坏芯片。因此，在设计中应考虑引脚的保护电路，避免直接外接大功率驱动器件，如电机等。
• 上下拉电阻：上下拉电阻的作用是将不确定的信号线确定为高电平或低电平，防止外界干扰。具体来说，当某个引脚不控制时，上下拉电阻可以将该引脚确定为高电平或低电
• TTL肖特基触发器：TTL肖特基触发器是一种数字逻辑门电路，由两个或多个与非门组成。它的作用是将输入的模拟信号转换为数字信号，即当输入信号达到一定幅度时，触发器输出高电平，否则输出低电平。平。
• P-MOS：P-MOS管通常与输出引脚相连，用于控制输出信号的电平状态。当输出信号为高电平时，P-MOS管导通，输出引脚通过P-MOS管连接到VDD，输出高电平。当输出信号为低电平时，P-MOS管截止，输出引脚通过N-MOS管接地，输出低电平。
• N-MOS：N-MOS管通常与输出引脚相连，用于控制输出信号的电平状态。当输出信号为高电平时，N-MOS管截止，输出引脚通过P-MOS管连接到VDD，输出高电平。当输出信号为低电平时，N-MOS管导通，输出引脚接地，输出低电平。

GPIO工作模式电路解析

浮空输入

浮空输入，是指不接入上拉或下拉电阻，通过TTL肖特基触发器使得输入进来的电平数据更加稳定。在该模式下，引脚的电平状态完全取决于外部信号，当外部信号不接入时，引脚的电平状态不确定。这种模式一般用于按键检测之类的应用中。

上拉输入

上拉输入通过接入上拉电阻来读取引脚电平。当外部信号未接入时，引脚默认电平为高电平。

下拉输入

下拉输入通过接入下拉电阻来读取引脚电平。当外部信号未接入时，引脚默认电平为低电平。

模拟输入

开漏输出

在开漏输出模式下P-MOS不参与工作，控制输出0，N-MOS导通，此时为低电平，控制输出为1，N-MOS关闭，使得引脚既不输出高电平，也不输出低电平，有IO外部链接决定。

推挽输出

在推挽输出模式下，当内部信号为1时，上边的P-MOS管导通，下边的N-MOS管截止，IO口输出高电平。当内部信号为0时，上边的P-MOS管截止，下边的N-MOS管导通，IO口输出低电平。

推挽式复用功能

复用推挽输出模式下的IO不再受ODR控制，当外围电路产生低电平时，会导致IO口输出低电平；当外围电路产生高电平时，会导致IO口输出高电平。

开漏式复用功能

在复用开漏输出模式下，IO可以输出高低电平，但无法直接读取外部信号，该模式下的IO不再受ODR控制。由于开漏输出只能输出低电平，如果要输出高电平必须通过上拉电阻才能实现，因此上拉电阻的选择也会影响复用开漏输出的工作状态。

IO工作模式的选取

输入模式

浮空输入

• 当外部电路中已经包含适当的下拉电阻时，可以选择浮空输入模式。如果连接的是一个开关，开关的另一端已经通过外部电阻连接到地，那么可以选择使用浮空输入模式。
• 在某些模拟电路中，输入信号可以通过电阻分压器来模拟，当输入信号为0时，电阻分压器的输出电压为0V，相当于浮空输入模式。

注：需要注意的是，浮空输入模式并不常用，但在特定情况下，如模拟输入或低功耗下省电等场景中可能会使用到。在使用浮空输入模式时，应避免外部信号功率很小，否则可能会导致内部上拉电阻影响外部输入电平。因此，在选择使用浮空输入模式时需要根据实际情况进行评估和选择。
上拉输入

• 上拉输入主要用于检测低电平的输入，并能在未输入时默认IO为高电平。这种模式适用于电路为低有效的元器件的情况（例如LED共阳极）。

下拉输入

• 下拉输入主要用于检测高电平的输入，并能在未输入时默认IO为低电平。这种模式适用于电路为高有效的元器件的情况（例如LED共阴极）。

模拟输入

• 当需要采集模拟量信号时，如电压、电流、温度等参数，模拟输入模块可以将这些信号采集到计算机中，并进行相应的处理。
  在自动化和信息化系统中，模拟输入模块可以应用于各种传感器和变送器的信号采集，实现数据采集和监控系统的集成。

输出模式

开漏输出

• 多设备共享总线：开漏输出允许多个设备共享同一个总线或信号线，通过合理的电平控制，实现对总线或信号线的协调使用，避免冲突和干扰。
• LED控制：开漏输出也常用于控制LED（Light-EmittingDiode）的亮灭。LED在工作时需要限流，以避免过电流损坏。通过使用开漏输出和外部限流电阻，可以有效控制LED的亮度和闪烁频率。
• 输入/输出扩展：开漏输出可用于输入/输出（I/O）扩展。通过使用外部电阻和开漏输出组合，可以将一个GPIO（General Purpose
  Input/Output）引脚扩展为多个输入或输出引脚。
• 推挽输出无法满足需求时：开漏输出和推挽输出在工作原理、上拉电阻、输出电流和应用场景上存在差异。例如，当需要直接驱动负载时，推挽输出更合适；而在多设备共享总线的场景中，开漏输出更为适合。

推挽输出

• 当输出电平为0V和3.3V时，推挽输出模式是最佳选择。这是因为推挽输出可以输出高电平和低电平，并且不需要外部上拉或下拉电阻。
• 在高速切换开关状态的应用中，推挽输出模式也是很好的选择。因为它既提高了电路的负载能力，也提高了开关速度。

推挽式复用功能

• 当GPIO的引脚用作串口的输出时，可以使用复用推挽输出模式。这种模式可以提高电路的负载能力和开关速度，适用于高速切换开关状态的应用。

开漏式复用功能

• 控制多个PWM信号：当需要控制多个PWM信号时，例如，当多个PWM信号由同一GPIO口输出，并且需要连接在一起时，可以使用复用开漏输出模式。
• 复用其他外设功能：当GPIO口需要复用其他外设功能，例如I2C的SCL或SDA等，复用开漏输出模式可以方便地实现这些功能。
  多路输出连在一起：当需要将多个输出端口连在一起时，例如，控制多个LED或其他负载，复用开漏输出模式可以方便地实现。

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