QuecPython 外设接口之GPIO应用指南

基础知识

了解GPIO基础知识更有益于我们使用它。

框图

GPIO（通用输入输出）是指一种通用的数字输入/输出接口，用于与外部电子元件或设备进行通信。它通常存在于微处理器、微控制器和其他嵌入式系统中。

物理电路结构如下图所示：

I/O pin: 微控制器或微处理器中的实际硬件接口，用于连接外部设备。每一个GPIO引脚都可以被编程为输入或输出模式 。

保护二极管(protection diode)： 特殊类型二极管，用于保护微控制器或微处理器的输入/输出引脚不受电压反冲或静电放电的影响 。

上拉下拉电阻： 用于设定GPIO引脚在空闲或无输入信号时的状态 。 上拉电阻将GPIO引脚连接到正电源，从而将其设定为默认高电平状态；下拉电阻将GPIO引脚连接到地线，从而将其设定为默认低电平状态。 由软件配置寄存器控制。

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。

TTL施密特触发器： 用于处理噪声或不稳定的输入信号。它通过设定两个不同的阈值（上阈值和下阈值）来消除数字信号的噪声，从而提供更准确的数字信号 。

输出驱动器： 控制GPIO引脚在输出模式下的电压和电流。

输入接收器： 处理来自GPIO引脚的输入信号。在许多情况下，它可能包括一个施密特触发器，用于消除数字信号的噪声。

工作模式

浮空输入

也称为 Hi-Z 或高阻抗状态。 这意味着 GPIO 引脚不会被拉至任何逻辑电平，而是悬空。 在这种状态下，GPIO 引脚很容易拾取电噪声并可能读取随机值，因此通常会避免使用它，除非有特定原因使用它。

黄色的高亮部分显示了数据传输通道，外部的电平信号通过左边编号①的I/O 端口进入芯片内部经过编号②的施密特触发器整形以后送入编号③的“输入数据寄存器”在“输入数据寄存器”的另一端(编号④) ，CPU通过内部的数据总线可以随时读出I/O 端口的电平变化的状态

上拉输入

GPIO 引脚和电源电压 (VDD) 之间连接有上拉电阻。 因此，当 GPIO 引脚未被设备主动驱动时，它会被“上拉”至逻辑高电平。 当需要 GPIO 引脚的默认状态为高电平时，需配置为上拉模式。

与前面介绍的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上面，接入了一个上拉电阻，这个上拉电阻阻值一般介于30K~50KΩ。在I/O口无信号输入的情况下，输入端的电平可以保持在高电平（VDD经过上拉电阻）；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平就是低电平（可以理解为电阻分压）。

下拉输入

GPIO 引脚与地 (VSS) 之间连接有下拉电阻。 当 GPIO 引脚未被设备主动驱动时，这会将其拉至逻辑低电平。 当需要GPIO 引脚的默认状态为低电平时，需配置为下拉模式。

对于输入下拉模式的输入，是在数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。这个下拉电阻阻值一般介于30K~50KΩ。

模拟输入

无上下拉电阻，电信号不经过施密特触发器，直接进入模拟输入通道，一般用于ADC数据采集。

开漏输出

在开漏（Open-Drain）输出模式下，GPIO引脚只能主动将电压拉低（通过连接到地线），不能主动将电压拉高。要实现电压的拉高，需要配合一个外部的上拉电阻连接到电源。 开漏输出的一个常见应用是I²C通信，其中多个设备可以共享同一条数据线。

当CPU 在编号① 端通过“位设置/ 清除寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后，该数据位将通过编号②的输出控制电路传送到编号④ 的I/O端口。如果CPU 写入的是逻辑“1 ”，则编号③ 的N-MOS管将处于关闭状态，此时I/O 端口的电平将由外部的上拉电阻决定。如果CPU 写入的是逻辑“0 ”，则编号③的N-MOS管将处于开启状态，此时I/O端口的电平被编号③ 的N-MOS管拉到了“地”的零电位。

在图中的上半部，施密特触发器处于开启状态，这意味着CPU 可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时可以监控I/O端口的状态，通过这个特性，还可以实现了虚拟的I/O端口双向通信：假如CPU 输出逻辑“1 ”，由于编号③ 的N-MOS管处于关闭状态，I/O 端口的电平将完全由外部电路决定。因此，CPU 可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑“1 。

推挽输出

在推挽（Push-Pull）输出模式下，GPIO引脚可以主动驱动高电平或低电平。这意味着GPIO可以"推"电压到高电平，也可以"拉"电压到低电平。推挽输出可以提供较强的驱动能力，适合驱动LED、电机等负载。

推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。

中断框图

中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）：此寄存器用于屏蔽或禁用特定的中断，使其不会触发中断服务例程。当某个位设置为1时，对应的中断将被屏蔽。
请求挂起寄存器（Interrupt Pending Register）：此寄存器用于存储当前挂起的中断请求。如果对应位为1，则表明相应的中断是挂起状态。
软件中断事件寄存器（Software Interrupt Event Register）：此寄存器允许软件生成中断。通过写入此寄存器，可以触发与特定中断源相关联的中断服务例程。
上升沿触发选择寄存器（Rising Edge Trigger Selection Register）：此寄存器选择在信号的上升沿时触发中断。
下降沿触发选择寄存器（Falling Edge Trigger Selection Register）：此寄存器选择在信号的下降沿时触发中断。
边沿检测电路（Edge Detection Circuit）：这是硬件电路，用于检测信号边沿的变化（上升沿或下降沿），从而触发中断。
时间屏蔽寄存器（Timing Mask Register）：此寄存器用于屏蔽在特定时间内发生的中断，通常用于消除误触发的中断。
脉冲发生器（Pulse Generator）：在硬件中，脉冲发生器可以生成一系列的脉冲，用于触发定时或同步的事件，包括中断。
NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）：是ARM Cortex-M核心的一部分，用于管理中断。它支持优先级嵌套的中断，以及中断向量，即指向中断服务例程的指针。

功能复用

嵌入式系统中，包括许多微控制器和处理器中，一些特定的物理引脚可以配置成不同的功能，这就是所谓的引脚复用（Pin Multiplexing）。理解引脚复用的关键是理解一些引脚可以在不同的硬件模块间切换，这样可以在硬件设计时提供更大的灵活性。引脚复用的目的主要是节省空间和成本，因为这样可以减少物理引脚的数量。

一个嵌入式芯片的物理引脚可能被设计为在以下几种功能之间切换：

• 作为 GPIO，进行通用的数字输入/输出；
• 作为 SPI 接口的一部分，用于与其他 SPI 设备通信；
• 作为 UART 接口的一部分，用于串行通信；
• 或者，它可能有一些其他特定的功能，如 ADC 输入，PWM 输出等。

在设计嵌入式系统时，你可以根据你的硬件和软件需求配置这些引脚。一些嵌入式平台还允许你在运行时动态切换这些引脚的功能，这为嵌入式系统设计提供了极大的灵活性。

当然，引脚复用也有其局限性。例如，一个引脚不能同时执行两种或更多的功能，因此在设计系统时需要考虑到这一点。引脚复用的管理也可能增加系统的复杂性，并可能需要更多的软件支持来正确配置和使用这些引脚。

消抖

按键消抖是在电子系统中处理机械按键输入时的常见问题。由于机械按键的接触特性，当按键被按下或释放时，接触点可能会快速打开和关闭多次，导致短时间内的多次电平变化。这被称为“抖动”。如果不处理抖动，系统可能会误认为按键被多次按下或释放。因此，需要采取措施消除或至少减少这种抖动的影响。

消抖的方法主要分为两类：硬件消抖和软件消抖。

硬件消抖

硬件消抖的主要目标是处理机械按键产生的抖动，从而使电路得到一个稳定、无干扰的电平信号。以下是几种常用的硬件消抖方法：

RC滤波器

构成:

• 电阻(R): 连接于按键的一端。
• 电容(C): 从按键的另一端连接到地线。

特性:

• 低通滤波器: 由于其构造，RC滤波器允许低频信号通过而过滤高频信号。

工作原理:

• 当按键被按下或释放，电容C会开始充电或放电。因此，对于快速的电压变化（如由于接触抖动导致的），RC滤波器会平滑这些变化，从而防止误判。
• 这种平滑效果的强度由RC时间常数（τ = R×C）决定。此时间常数表示电容充电到其初始电压的63.2%所需的时间。

优点:

1. 简单性: 仅需要两个基本组件。
2. 经济性: 电阻和电容都是低成本元件。
3. 有效性: 对于大多数常规应用，其消抖能力足够。

缺点:

1. 延迟: 过大的RC时间常数可能导致按键响应的不必要延迟。
2. 环境敏感性: 温度和湿度的变化可能影响电容的值，进而影响消抖效果。
3. 不适用于所有应用: 对于需要快速响应的应用，RC滤波器可能不是最佳选择。

在使用RC滤波器作为按键硬件消抖策略时，关键在于选择合适的R和C值，使得滤波器能够有效地过滤掉抖动，同时不会引入过多的响应延迟。在设计阶段，可能需要进行实验，测试不同的R和C组合，以找到最佳的消抖效果。

Schmitt触发器:

构成:

• Schmitt触发器 本质上是一个带有双阈值的电压比较器。它可以是独立的组件，也可以是微控制器内部的一部分。

特性:

• 双阈值: Schmitt触发器的主要特性是其具有两个阈值 — 上阈值(Vt+)和下阈值(Vt-)。

工作原理:

• 当输入电压上升并超过上阈值(Vt+)时，输出切换到高状态。
• 当输入电压下降并低于下阈值(Vt-)时，输出切换到低状态。
• 这种特性可以确保在输入电压发生微小变化（如因抖动）时，输出状态不会改变，从而有效地过滤抖动。

常用参数:

• 上阈值(Vt+) 和 下阈值(Vt-): 这两个阈值之间的差距称为滞后或死区。

优点:

1. 消抖效果好: 由于双阈值特性，Schmitt触发器对输入噪声和抖动具有很强的容忍性。
2. 明确的输出: 输出始终是一个明确的高或低电平，不会在两者之间浮动。
3. 广泛可用: 很多微控制器的GPIO输入都内置了可选的Schmitt触发器。

缺点:

1. 可能的延迟: 在某些情况下，如果输入信号的变化速度较慢，触发器可能导致轻微的延迟。
2. 不适合快速信号: 对于频率较高的信号，Schmitt触发器可能不是最佳选择，因为它可能会导致信号失真。
3. 成本: 虽然许多微控制器都内置了Schmitt触发器，但如果需要外部触发器，则可能会增加成本。

注意点：

• 选择的消抖方法和组件值应考虑按键的抖动频率和持续时间。
• 如果使用RC滤波器，需要确保RC时间常数既可以消除抖动，又不会过度延迟按键响应。
• 当在噪音环境中工作时，可能需要考虑其他因素，如外部电磁干扰。
• 测试是关键：在设计完成后，应该对系统进行足够的测试，以确保消抖电路在所有预期条件下都能正常工作。

RS触发器

构成:

• RS触发器 通常是由两个NAND门或NOR门构成的基础双稳态电路。
• 有两个输入: R (Reset) 和 S (Set)。
• 有两个输出: Q 和 ~Q (Q的反相)。

特性:

• 双稳态: RS触发器在任何时候都有两个稳定的输出状态。

工作原理:

• 当 S 输入为1且 R 输入为0时，Q 输出为1，而 ~Q 输出为0。
• 当 R 输入为1且 S 输入为0时，Q 输出为0，而 ~Q 输出为1。
• 当两个输入都为0时，RS触发器保持在当前状态。
• 当两个输入都为1时，是不被允许的状态，并可能导致不确定的输出。

为了消除按键抖动，RS触发器可以配置为只有在按键真正按下或释放时才改变其状态。与按键相关的任何短暂抖动都不会导致RS触发器的输出发生更改，从而有效地消除了抖动。

常用参数:

• 输入逻辑级别: 对于NAND版本的RS触发器，正常逻辑级别为1，对于NOR版本的RS触发器，正常逻辑级别为0。

优点:

1. 高效消抖: RS触发器为按键提供了稳定的输出，无论输入多么嘈杂。
2. 明确的输出状态: 在任何给定时间，都有一个明确的高或低输出。
3. 低成本: RS触发器可以使用基础的逻辑门构建。

缺点:

1. 复杂性: 相对于简单的电容并联或Schmitt触发器方法，这需要更多的组件和更复杂的布线。
2. 不允许的状态: RS触发器有一个不允许的输入状态，需要小心设计以避免。
3. 电源需求: 需要为触发器提供适当的电源。

软件消抖

软件消抖是通过在软件层面使用算法和逻辑来消除按键抖动。与硬件消抖方法相比，软件消抖方法对于不同的应用和条件提供了更多的灵活性，但它也增加了一些处理负担。

以下是一些常见的嵌入式软件消抖技术：

延时

工作原理:

当检测到按键的状态改变（例如从未按下变为按下状态），而不是立即响应这一改变，程序会等待一个预定的延迟时间。在这段延迟时间结束后，程序再次检测按键的状态。如果按键状态保持不变，那么这个按键动作被认为是有效的，程序则会响应这一按键动作；否则，它会认为是误报或抖动，所以不会产生响应。

优点:

1. 简单实现：延时消抖是最简单和直接的软件消抖技术。只需在按键状态改变后添加一个延迟函数，然后再次检测状态。
2. 不需要额外资源：与其他方法相比，如使用计数器或有限状态机，延时消抖不需要额外的存储或计数资源。

缺点:

1. 响应延迟：由于需要等待预定的延迟时间来确认按键动作，这会导致用户感知的响应延迟。
2. CPU时间浪费：如果使用的是忙等待（busy-waiting）来实现延迟，那么CPU将在这段时间里无法进行其他任务，这在资源受限的嵌入式系统中是不可接受的。
3. 不够可靠：如果抖动的时间超过了预定的延迟时间，这种方法可能仍然会误报。另外，如果设置的延迟时间太长，可能会错过快速的连续按键动作。

计数器

工作原理:

当检测到按键状态改变时，系统并不立刻确认这一改变。相反，它启动一个计数器。在连续的几次检测中，如果按键状态持续保持改变状态，计数器就增加；如果按键返回到原始状态，计数器则重置。只有当计数器值达到一个预设的阈值时，按键状态的改变才被认为是真正的按键动作，并由系统响应。这样，短暂的抖动不会让计数器达到阈值，因此不会被误判为有效的按键动作。

优点:

1. 可靠性高：与简单的延时消抖相比，计数器消抖能够更可靠地滤除短时间的抖动。
2. 响应性好：如果按键确实被持续按下，系统可以在较短的时间内确认按键动作，从而提供较好的响应性。
3. 灵活性：可以根据需要调整计数器的阈值，以适应不同的按键和抖动特性。

缺点:

1. 资源消耗：需要为每个按键使用一个计数器或为系统使用一个全局计数器。这可能会消耗额外的存储资源和计时资源。
2. 复杂性增加：相较于简单的延时消抖，计数器消抖在实现上稍微复杂一些，特别是在有多个按键需要处理的场合。
3. 可能的延迟：如果设定的计数器阈值过高，可能导致系统响应的延迟，降低用户体验。