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GPIO用法大汇总

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2019-9-9 16:21:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    下面就来好好说说这个熟悉又陌生的GPIO。

    GPIO是什么?

    字面意思看,GPIO=General Purpose Input Output,通用输入输出。有时候简称为“IO口”。通用,就是说它是万金油,干什么都行。输入输出,就是说既能当输入口使用,又能当输出口使用。端口,就是元器件上的一个引脚。怎么用?写软件控制。

    总结:GPIO就是芯片上的一根干啥都行的引脚。

    讲了这么多,相信不懂的人还是一头雾水,咱们对着案例看看GPIO怎么用至于上拉、下拉、悬空、高阻、开漏、推挽之类的概念,可以以后再慢慢琢磨。


    GPIO的简单用法

    输出控制信号 1.jpg GPIO控制LED灯的开关
    GPIO用来做开关控制,是最常见的应用场景。
    如上图,P21这个GPIO口,输出1的时候,LED403点亮,输出0或者没有输出的时候,LED403熄灭。

    GPIO口是怎么被控制的呢?通过软件代码。需要亮灯的时候调用GPIO口拉高的函数,需要熄灯的时候调用GPIO拉低的函数,即可实现控制。函数的操作,最终变成了向这个GPIO的硬件寄存器写入数据,硬件的状态会跟随寄存器的数据改变而改变。
    硬件寄存器在这里可以理解为一个电子开关,好比你告诉家里的保姆说“去吧客厅的灯关上”,他就走过去按动灯的开关,然后灯就灭了。你下的这个指令的动作相当于调用了GPIO操作的函数,保姆去按开关这个动作相当于函数配置寄存器。
    当然你也可以直接去按这个开关(直接操作寄存器),这个做法虽然能工作,但是在代码设计中是不符合规范的。后续修改中很容易导致误操作。实际操作中需要预先初始化,配置GPIO的参数,把寄存器建立接口给其他进程调用等软件类的操作,这里就不详述了。

    输入中断信号
    2.jpg 重力传感器输出中断信号给MCU的GPIO口
    G-sensor,也叫做重力传感器/加速度传感器/运动传感器,检测设备是否在运动的。咱们平时用的蓝牙手环的计步器主要就是根据G-sensor采样回来的运动数据计算而来的。
    设备不动的时候,G-sensor和MCU都是休眠状态以节省电量。

    设备动一动,G-sensor感受到了就被唤醒了,就往中断口上(GSENSOR_INT)发一个高电平信号,MCU感受到这个中断口的电平从低变成高了,就退出休眠开始正常运行。
    然后MCU就通过I2C数据接口读取G-sensor里的数据。
    如何理解中断呢?你正在睡觉,突然有人来找你,他就要先把你摇醒才行。这就是把你的睡眠中断了,让你从睡眠中被唤醒(如同上述例子)。
    同样,如果你正在看电影,突然手机铃声响了,一看是女朋友来电话了,就要把电影暂停,保留电影当前的播放位置,然后去接女朋友的电话。接完了电话,再继续从之前的播放位置开始播放。
    这个电话就是中断信号,保存电影位置就是中断响应前的状态入栈,接电话的过程就是中断服务程序,挂了电话继续播放就是中断的状态出栈。
    可能有人会说,为什么多此一举,G-sensor不能直接把数据发送给MCU么?这是因为I2C只能由主设备主动发起数据传输的请求,从设备是不能主动发送数据的(只能任由主设备过来读取数据)。关于I2C协议的内容,请见相关文章。
    但凡I2C接口且持续工作的设备,都需要有一个中断输出,用来告诉主机“我已经准备好数据了,你快点过来取走吧”。
    用GPIO做中断,还需要特别特别注意一条:如果选择这个中断口来唤醒系统,那一定要对照芯片规格书看清楚,选择的中断口能不能唤醒系统?
    对于大部分单片机,几乎每一个中断口都可以唤醒系统,但对于高主频的处理器,如手机和平板电脑的,并不是所有的GPIO都可以配置成中断,也不是所有的中断都能唤醒系统。

    如果选择了一个不能唤醒系统的中断口做上述示例,一旦MCU进入休眠,外设就失效了。

    用作按键输入
    3.jpg GPIO做按键检测
    按键严格来讲也是个中断。GPIO口默认状态是低电平,按键按下后被拉到高电平,此时系统能够检测到中断,判定为按键按下。
    等到按键释放了,GPIO口检测到电压回归低电平,就判定为按键松开了。这种做法是单片机上比较常见的做法。在智能一些的硬件平台上,往往会有独立的硬件按键接口(非GPIO口),在芯片内部加入按键控制器,通过硬件实现按键的去抖、双击和长按判断。
    对于单片机,一旦被按键触发之后,内部就开始跑程序,每隔几个毫秒读取一次按键状态,判断按键是否被释放。通过软件实现去抖、双击和长按的功能。
    图上的电容,用处是滤除外部干扰,避免被误触发,同时起到一定的按键去抖作用。图上的TVS管,是为了防止静电进入CPU。
    可能会有人问,按键按下就是按下了,为什么会抖动?

    因为按键都是机械式的,两个金属片在接触的瞬间,从微秒级的时间段来看,会存在接触-断开-再接触这样的轻微的抖动。直到两个金属片牢牢的接触到一起之后,抖动才会消失。所谓按键去抖动,就是通过延时来消除掉接触再断开这种异常状态的。
    如果GPIO口不够,但是需要做多个按键的检测,也可以把按键配置成为ADC,通过不同按键产生不同的电压,来利用一个ADC口检测到不同的键值。这个做法通常用于手机3.5mm有线耳机上的3个按键的检测。
    GPIO的高阶应用

    GPIO除了简单的输入输出之外,还可以做一些相对复杂的操作,例如模拟I2C或SPI数据线、ADC电压检测、输出PWM波形等。

    这些功能有些可以直接配置成硬件接口,也可以通过软件来模拟波形。


    用作I2C接口
    4.jpg GPIO用作I2C数据总线 5.jpg
    I2C时序图

    I2C是智能硬件电路上最常用的数据传输总线,只需要2根线,就能够挂载多个从设备,能够双向传输,最大速度可达400Kbps,非常适合传输控制指令和小量数据。
    平时大家用的G-sensor传感器、光距离传感器、电容触摸屏、LED灯控制器、摄像头的控制命令等,几乎都是I2C接口的。

    GPIO口用作I2C,算是GPIO传数据的最常用的方式。如果芯片内部自带I2C控制器,可以直接配置GPIO切换到硬件I2C上。例如单片机几乎都可以这么做。
    如果芯片内部的I2C接口不够用,还可以通过软件控制GPIO口拉高拉低来模拟I2C的波形和时序,照样可以当作I2C使用。
    同样的模拟数据线的做法,还可以用GPIO来模拟SPI。只要是带时钟的低速同步数据线,都可以用GPIO口来模拟。
    但是GPIO口不能用来模拟UART串口。因为UART没有时钟线,需要非常精准的按照约定的时间间隔输出波形,软件定时器不准,硬件定时器占用系统资源多,所以很难实现。


    PWM输出
    6.jpg GPIO输出PWM波控制蜂鸣片 7.gif
    不同占空比的PWM波形

    GPIO口输出PWM波,跟当作I2C使用的性质上是一样的。控制GPIO口 定时拉高拉低,就可以输出PWM波形。
    如上图,就是通过PWM来控制外部升压电路,驱动蜂鸣片发出声音的。PWM还可以用于控制LED灯的调光,改变PWM输出的占空比,调节灯光亮度

    ADC采样
    8.jpg GPIO用作ADC采样,采集电池电压 9.jpg 电池分压后给ADC采样
    ADC,Analog-to-Digital Converter,把模拟信号转换成数字信号。ADC的应用范围很广,麦克风音频数据的采样、电压电流信号的采样、模拟传感器输出的数据的量化等。
    受限于精度、量程、采样速度等,GPIO的ADC一般不做太复杂的应用,大部分时候只做电压采集。
    如上图,把GPIO口配置成为ADC模式,采集电池电压,用于做电池电量显示。这个做法只适合做简单的电池电压显示,如果要做类似智能手机的百分之一精度的电池电量管理,还需要外加更高精度的ADC和电池补偿算法。
    GPIO做ADC,最常遇到的问题是:
    一,不是所有的GPIO口可以做ADC使用,一定要看清楚规格书!
    二,ADC有电压域限制的,3V供电的ADC测量不到超过3V的电压。
    例如上面第一张图,MCU用3V电池供电,此时GPIO/ADC的供电电压是3V,最大量程也是3V,可以测量到电池电压。而第二张图锂离子电池电压是4.2V,MCU供电是3V,GPIO/ADC工作电压也是3V,就量不到这么高的电压了。超出量程测量出来的都是一样的。因此利用电阻分压,把4.2V的电池电压折半降低到2.1V,给3V量程的ADC使用。

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