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关于GPIO,先来看个笑话

笔试官:“听说过GPIO么?”

工程师:“听说过,工程常常用。师社低价刷qq空间业务10个赞

“GPIO是家中国最好哪些?“”

“。。工程。师社。家中国最好。工程。师社GPIO就是家中国最好GPIO啊。。工程。师社”

“GPIO有哪些用?”

“。家中国最好。工程。师社。。。不晓得。。。”

“好了,你可以回家了。”

下边就来好好谈谈这个熟悉又陌生的GPIO。

GPIO是哪些?

字面意思看,GPIO=GeneralPurposeInputOutput,通用输入输出。低价刷qq空间业务10个赞有时侯简称为“IO口”。通用,就是说它是万金油,干哪些都行。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,就是元元件上的一个引脚。如何用?写软件控制。

总结:GPIO就是芯片上的一根干啥都行的引脚。

讲了那么多,相信不懂的人还是一头雾水,俺们对着案例瞧瞧GPIO如何用至于上拉、下拉、悬空、高阻、开漏、推挽之类的概念,可以之后再渐渐寻思。

GPIO的简单用法

输出控制讯号

GPIO控制LED灯的开关

GPIO拿来做开关控制,是最常见的应用场景。

如上图,P21这个GPIO口,输出1的时侯,LED403照亮,输出0或则没有输出的时侯,LED403熄灭。

GPIO口是如何被控制的呢?通过软件代码。须要亮灯的时侯调用GPIO口拉高的函数,须要关灯的时侯调用GPIO拉低的函数,即可实现控制。函数的操作,最终弄成了向这个GPIO的硬件寄存器写入数据,硬件的状态会跟着寄存器的数据改变而改变。

硬件寄存器在这儿可以理解为一个电子开关,好比你告诉家里的保姆说“去吧书房的灯关上”,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。

其实你也可以直接去按这个开关(直接操作寄存器),这个做法似乎能工作,并且在代码设计中是不符合规范的。后续更改中很容易造成误操作。实际操作中须要预先初始化,配置GPIO的参数,把寄存器构建插口给其他进程调用等软件类的操作,这儿就不阐述了。

输入中断讯号

重力传感输出中断讯号给MCU的GPIO口

G-sensor,也称作重力传感/加速度传感/运动传感,监测设备是否在运动的。俺们平常用的蓝牙腕带的计步器主要就是按照G-sensor取样回去的运动数据估算而至的。

设备不动的时侯,G-sensor和MCU都是休眠状态以节节电量。

设备动一动,G-sensor感遭到了就被唤起了,就往中断口上(GSENSOR_INT)发一个高电平讯号,MCU感遭到这个中断口的电平从低弄成高了,就退出休眠开始正常运行。

之后MCU就通过I2C数据插口读取G-sensor里的数据。

怎样理解中断呢?你正在午睡,忽然有人来找你,他就要先把你叫醒才行。这就是把你的睡眠中断了,让你从睡眠中被唤起(就像上述事例)。

同样,假如你正在看影片,忽然手机铃声响了,一看是女同事来电话了,就要把影片暂停,保留影片当前的播放位置,之后去接女同事的电话。接完了电话,再继续从之前的播放位置开始播放。

这个电话就是中断讯号,保存影片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,为何多此一举,G-sensor不能直接把数据发送给MCU么?这是由于I2C只能由主设备主动发起数据传输的恳求,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合同的内容,请见相关文章。

即便I2C插口且持续工作的设备,都须要有一个中断输出,拿来告诉主机“我早已打算好数据了,你赶快过来拿走吧”。

用GPIO做中断,还须要非常非常注意一条:假如选择这个中断口来唤起系统,那一定要对照芯片尺寸书认清楚,选择的中断口能不能唤起系统?

对于大部份单片机,几乎每一个中断口都可以唤起系统,但对于高显存的处理器,如手机和平板笔记本的,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起系统。

假如选择了一个不能唤起系统的中断口做上述示例,一旦MCU步入休眠,外设就失效了。

用作键盘输入

GPIO做键盘检查

键盘严格来讲也是个中断。GPIO口默认状态是低电平,键盘按下后被拉到高电平,此时系统才能测量到中断,判断为键盘按下。

等到键盘释放了,GPIO口检查到电流回归低电平,就断定为键盘握住了。这些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,常常会有独立的硬件键盘插口(非GPIO口),在芯片内部加入键盘控制器,通过硬件实现键盘的去抖、双击和长按判别。

对于单片机,一旦被键盘触发以后,内部就开始跑程序,每隔几个微秒读取一次按钮状态,判定键盘是否被释放。通过软件实现去抖、双击和长按的功能。

图上的电容,好处是滤除外部干扰,防止被误触发,同时起到一定的键盘去抖作用。图上的TVS管,是为了避免静电步入CPU。

可能会有人问,键盘按下就是按下了,为何会晃动?

由于键盘都是机械式的,两个金属片在接触的顿时,从毫秒级的时间段来看,会存在接触-断掉-再接触这样的轻微的晃动。直至两个金属片牢牢的接触到一起然后,晃动就会消失。所谓按钮去晃动,就是通过延时来去除掉接触再断掉这些异常状态的。

假如GPIO口不够,并且须要做空个按钮的检查,也可以把键盘配置成为ADC,通过不同按钮形成不同的电流,来利用一个ADC口测量到不同的通配符。这个做法通常用于手机3.5mm有线音箱上的3个键盘的测量。

GPIO的高阶应用

GPIO不仅简单的输入输出之外,还可以做一些相对复杂的操作,比如模拟I2C或SPI数据线、ADC电流测量、输出PWM波形等。

这种功能有些可以直接配置成硬件插口,也可以通过软件来模拟波形。

用作I2C插口

GPIO用作I2C数据总线

I2C时序图

I2C是智能硬件电路上最常用的数据传输总线,只须要2根线,就才能挂载多个从设备,才能单向传输,最大速率可达400Kbps,特别适宜传输控制指令和小量数据。

平常你们用的G-sensor传感、光距离传感、电容触摸屏、LED灯控制器、摄像头的控制命令等,几乎都是I2C插口的。

GPIO口用作I2C,算是GPIO传数据的最常用的方法。假如芯片内部自带I2C控制器,可以直接配置GPIO切换到硬件I2C上。诸如单片机几乎都可以如此做。

假如芯片内部的I2C插口不够用播放量双击软件平台,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,照样可以当成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。

然而GPIO口不能拿来模拟UART并口。由于UART没有时钟线,须要特别精准的根据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

GPIO输出PWM波控制蜂鸣片

不同信噪比的PWM波形

GPIO口输出PWM波,跟当成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输出的转矩,调节灯光色温

ADC取样

GPIO用作ADC取样,采集电瓶电流

电瓶分压后给ADC取样

ADC,Analog-to-DigitalConverter,把模拟讯号转换成数字讯号。ADC的应用范围很广,耳机音频数据的取样、电压电压讯号的取样、模拟传感输出的数据的量化等。

受限于精度、量程、采样速率等,GPIO的ADC通常不做太复杂的应用,大部份时侯只做电流采集。

如上图,把GPIO口配置成为ADC模式,采集电瓶电流,用于做电瓶电量显示。这个做法只适宜做简单的电瓶电流显示,假如要做类似智能手机的百分之一精度的电瓶电量管理,还须要外加更高精度的ADC和电瓶补偿算法。

GPIO做ADC,最常碰到的问题是:

一,不是所有的GPIO口可以做ADC使用,一定要认清楚尺寸书!

二,ADC有电流域限制的,3V供电的ADC检测不到超过3V的电流。比如里面第一张图,MCU用3V电瓶供电,此时GPIO/ADC的供电电流是3V,最大量程也是3V,可以检测到电瓶电流。而第二张图锂离子电瓶电流是4.2V,MCU供电是3V播放量双击软件平台,GPIO/ADC工作电流也是3V,就量不到如此高的电流了。超出阻值检测下来的都是一样的。因而借助内阻分压,把4.2V的电瓶电流折半增加到2.1V,给3V阻值的ADC使用。

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