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  • 2020-06-23 23:37:50

    stm32 串口接收引脚配置为浮空输入问题

    最近做一个多串口的项目,共用到三个串口,一个串口是485,一个是4G模块,另外一个是蓝牙。其中4G模块和蓝牙都是通过串口直接连接的。在测试过程中发现有时隔几个小时或者两三天时候会看门狗复位。后面小批时有两块板在不接4G和蓝牙模块时,485通信不正常,是好是坏,通过仿真发现连接4G或者蓝牙的串口一直进入中断,串口状态寄存器是0x1FA,怀疑是串口引脚配置不正确引起的串口引脚电平不稳定,后面把输入引脚改为上拉输入,经测试不在出现次现象。

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    以及上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入的区别

    最近在看数据手册的时候,发现在Cortex-M3里,对于GPIO的配置种类有8种之多:

    (1)GPIO_Mode_AIN 模拟输入
    (2)GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
    (3)GPIO_Mode_IPD 下拉输入
    (4)GPIO_Mode_IPU 上拉输入
    (5)GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
    (6)GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
    (7)GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
    (8)GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
    对于刚入门的新手,我想这几个概念是必须得搞清楚的,平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种,但一直未曾对这些做过归纳。因此,在这里做一个总结:

    推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

    推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流,也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。

    详细理解:


    如图所示,推挽放大器的输出级有两个“臂”(两组放大元件),一个“臂”的电流增加时,另一个“臂”的电流则减小,二者的状态轮流转换。对负载而言,好像是一个“臂”在推,一个“臂”在拉,共同完成电流输出任务。当输出高电平时,也就是下级负载门输入高电平时,输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来,输出高低电平时,VT3 一路和 VT5 一路将交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使RC常数很小,转变速度很快。因此,推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。

    开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内).

    开漏形式的电路有以下几个特点:

    1. 利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ,MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。

    2. 一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻,很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大,速度越低功耗越小,所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。)

    3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式,但是也有其弱点,就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电,所以当电阻选择小时延时就小,但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求,则建议用下降沿输出。

    4. 可以将多个开漏输出的Pin,连接到一条线上。通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成“与逻辑”关系。这也是I2C,SMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充:什么是“线与”?:

    在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.

    其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时,外接一上拉电阻,如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以外电路逻辑电平便为0,只有都为高电平时,与的结果才为逻辑1。

    关于推挽输出和开漏输出,最后用一幅最简单的图形来概括:


    该图中左边的便是推挽输出模式,其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止,而上面NPN三极管导通,输出电平VS+;当比较器输出低电平时则恰恰相反,PNP三极管导通,输出和地相连,为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式,需要接上拉。

    浮空输入:对于浮空输入,一直没找到很权威的解释,只好从以下图中去理解了


    由于浮空输入一般多用于外部按键输入,结合图上的输入部分电路,我理解为浮空输入状态下,IO的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定,如果在该引脚悬空的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

    上拉输入/下拉输入/模拟输入:这几个概念很好理解,从字面便能轻易读懂。

    复用开漏输出、复用推挽输出:可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用IO口使用)

    最后总结下使用情况:

    在STM32中选用IO模式
    (1) 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1
    (2)带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
    (3)带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
    (4) 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电
    (5)开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND,IO输出1,悬空,需要外接上拉电阻,才能实现输出高电平。当输出为1时,IO口的状态由上拉电阻拉高电平,但由于是开漏输出模式,这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化,实现C51的IO双向功能
    (6)推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND, IO输出1 -接VCC,读输入值是未知的
    (7)复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL,SDA)
    (8)复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)
    STM32设置实例:
    (1)模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD,接上拉电阻,能够正确输出0和1;读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然后可以读IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);
    (2)如果是无上拉电阻,IO默认是高电平;需要读取IO的值,可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD;

    嵌入式开发

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  • 浮空一般用来做ADC输入用,这样可以减少上下拉电阻对结果的影响. 那在ADC采集的时候浮空和模拟输入有什么区别呢?我感觉浮空就是当这个管脚在这一时间不需要使用又不能影响外部时使用,而ADC采集时用模...

    原子哥:顾名思义,浮空就是 浮在空中.也就是没有什么把他拉下来,也没有什么把它拉上去. 
    浮空最大的特点就是电压的不确定性,它可能是0V,也可能是VCC,还可能是介于两者之间的某个值(最有可能). 结论错误2021.1.5
    浮空一般用来做ADC输入用,这样可以减少上下拉电阻对结果的影响.2021.1.5

    那在ADC采集的时候浮空和模拟输入有什么区别呢?我感觉浮空就是当这个管脚在这一时间不需要使用又不能影响外部时使用,而ADC采集时用模拟。对吗原子哥大?

    在AD采集的时候,这两个模式倒是都可以。 
    但是在单纯作为输入的时候,浮空模式是有用的,在外部有上拉/下拉的条件下,你可以设置为浮空输入。 
    或者IO有冲突的时候(参见mini板的PWM输出实验),你也可以设置为浮空输入,从而完全不干扰其他IO。

    浮空输入不是这个意思,浮空输入时,施密特触发器起作用上拉下拉的时候施密特触发器也起作用复用功能也启用也就是说浮空输入和上下拉输入的信号采集过程电路是一样的,差别仅仅在于默认值,上下拉输入默认输入值确定,浮空模式默认值不确定),读取输入结果时,只有0或1两种只是默认值不能确定。可能是0也可能是1有外部信号确定,但是采集的信号是数字量0和1.模拟输入时才是从0到VCC之间变化,这时适合接ADC输入。

     

     

    那要是读管脚上的信息时,应该设置为上拉输入还是下拉输入呢?

    一般选择上拉.

    我对STM32 GPIO输入/输出模式进行了一下总结,请大家指正哪里有问题?
    1、输入浮空  输入引脚即不接高电平,也不接低电平,用于标准的通讯协议,比如IIC、USART的等,如果想用做按键检测等功能,需外部使用上拉或下拉电阻;
    2. 输入上拉  相当于输入浮空用来按键检测外加上拉电阻,只不过这个是内部上拉,省去了外部电路;
    3. 输入下拉  同上; 三者共同点就是都要通过 TTL肖特基触发器 转换成0/1信号。既非高即低。
    4. 模拟输入  信号进入后不经过上拉电阻或者下拉电阻,关闭施密特触发器,经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。比如传送给ADC模块,由ADC采集电压信号。所以可以理解为模拟输入的信号是未经处理的信号,是原汁原味的信号。

    模拟输入和推挽模式还算对,

    其他基本都有误。
    开漏模式:输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 不被激活,输出0。
                      输出 1 时,N-MOS 高阻, P-MOS 不被激活,输出1(需要外部上拉电路);此模式可以把端口作为双向IO使用。
    推挽模式:输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 高阻,输出0。
                      输出 1 时,N-MOS 高阻,P-MOS 导通,输出1(不需要外部上拉电路)。

    stm32为什么要上拉或下拉输入啊?
    直接输入高低电平不行吗?这个输入的高低电平就直接由外设的电平决定啊?为什么还要用内部的上拉下拉电阻呢?
    是因为 外设给出的高低电平信号可能会太弱吗?

     

     

    比如我们的按键实验吧,如果没有上下拉输入,你选择浮空输入? 
    浮空输入信号电平是不确定的,那么按键你就必须外部加上下拉电阻.那么电阻要不要钱? 
    那想省钱怎么办? 
    答案不用我说了吧.

     

     


    呃 这个解释 还是比较牛叉的。但我的意思是:当外围设备能自己输出高低电平时,那么stm32与它相接的引脚就没有必要配制成上下拉输入了吧?你举例用的是按键,按键自己没法给出高低电平,所以必须得接上下拉电阻。

    外设能输出的时候,可以不上下拉。

    1 在考虑输出时候,高级点的芯片,可以设置好,为了固定’初值‘。 即明确reset阶段的io电平。 在一些敏感的控制里面, 初值是值得重视的,不然会带来一些’意外‘ 

    2 在重视待机功耗的系统里面,必须改变pull up和pull down,使得整体功耗降低。 

    3 就是输入时候的’ 初值‘ 

    4 看io的设计, 当oc门输出时候,上拉是必须的。 

    --- 
    个人看法

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    前言

    学习了这么久的单片机,说来羞愧,直到写这篇文章之前,我都没有仔细去理解GPIO的八种使用模式,之前只是傻傻的用着,直到把模电,数电学完,到今天重新回顾了一遍这一个知识,发现自己终于看懂了之前没有理解透彻的知识,特此总结下来。

    GPIO是什么

    从最基础的51单片机,Arduino,到STM32,树莓派等等,这些上面都会有GPIO口这么一个概念,如果你点开了我这个博客,说明你大概率开始学习单片机,那么你应该了解的就是这些口可以输出高低电平,或者是读取引脚上的输入电平。
    GPIO的总述功能如下

    GPIO(general porpose intputoutput):通用输入输出端口的简称。可以通过软件控制其输出和输入。stm32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来,从而实现与外部通信,控制以及数据采集的功能。
    ———GPIO简介

    下面摆一张以STM32内部GPIO口为例的内部原理图,大伙也不要着急,先有一个这个图的概念,下面就是开始讲怎么理解GPIO口。
    在这里插入图片描述

    先来一点最基础的知识
    上拉和下拉:
    当我们闭合上拉电阻的开关,断开下拉电阻的开关的时候,也就是此时为上拉通路导通。根据我们最基础的电路知识,如果I/O口断开不接外设,或者接了外设但是电路也断开,此时整条回路是断路的时候,电阻相当于不存在,此时O点的电位,也就被钳制在了VDD(供电电压正极),于是O点就处于高电平。
    同理,闭合上拉电阻的开关,断开下拉电阻的开关,那么在电路断开的时候,根据电路知识,电阻相当于不存在,O点的电压就就被钳制在了VSS(GND),也就是O点处于低电平。
    数字信号和模拟信号
    数字信号:就是根据一些规则,将一个范围内的电压规定为1,一个范围内的电压规定为0,也就是一连串的0,1信号
    模拟信号:就是连续的读取到的电压值。
    关于图上的TTL施密特触发器和P-MOS和N-MOS,后面讲到对应部分的时候会讲到。

    GPIO的八大模式

    GPIO可以分为输入或者输出,加起来一共有八种模式。

    输入模式

    在输入模式下,一共有四种输出模式,分别是

    • 模拟输入
    • 上拉输入
    • 下拉输入
    • 浮空输入

    浮空输入

    在这里插入图片描述
    浮空输入需要走的路径如图所示。首先得知道,浮空输出走的这一条路径,是对一个数字信号的读取。
    需要的电路如下:
    VDD和VSS所在路径的两个开关同时断开。此时没有上拉和下拉的情况,所以当IO口没有接输入的时候,此时的电平会是一个不确定的值,也就是我们所说的浮空。电平会处于一个跳变的状态,一会高,一会低。只有输入了一个高/低电平才会确定下来。
    注意:上拉和下拉电阻电路的开关在实际应用中一般使用MOS管来代替开关来提到。
    再往前面走,就是走到了TTL施密特触发器这一个部分。我们知道,由于电源的特性,或者是由于外部开关输入的特性,输入的数字信号,极有可能会出现脉冲等噪声的影响,为了让我们的波形更好看,或者信号更加清晰,所以就设置了TTL施密特触发器这个东西。经过之后,我们就会把这个数字信息存储在输入数据寄存器中。
    这样我们就读到了IO过来的数字信号

    优势:这一种输入模式的电平会完全取决于外部电路而与内部电路无关。有时候会用作对开关按键的读取。

    但是在没有外部电路接入的时候,IO脚浮空会使得电平不确定

    上拉输入

    在这里插入图片描述
    上拉输入需要走的路径如图所示。首先得知道,上拉输出走的这一条路径,是对一个数字信号的读取。
    需要的电路如下:
    VDD所在上拉电阻开关闭合,下拉电阻的开关断开。
    根据前面浮空输入里面所提的,在没有信号输入的时候,根据电路知识,此时的电平就是VDD的电平,此时读取到的电平就是高电平。如果输入了一个高电平,VDD和O点(最上面的图中的O点)之间就几乎没有电势差,此时O点的电平就仍然是高电平,读取到的电平就是高电平。但是由于在没有电压输入的时候,电平也是高电平,所以这一种输入情况下是没有办法确定信号是否输入了。
    当输入信号是一个低电平的时候,此时O点的电平的电平就会变成低电平,那么VDD和O点之间形成了电势差,但是因为上拉电阻的存在,所以不会出现一个大电流。此时单片机读取到的一个电平就是一个低电平。在上拉输入的情况下,低电平的是能够非常明显的读取到的。
    上拉输入的好处就是输入的电平不会上下浮动而导致输入信号不稳定,在没有信号输入的情况下可以稳定在高电平。

    下拉输入

    在这里插入图片描述
    下拉输入需要走的路径如图所示。首先得知道,下拉输出走的这一条路径,是对一个数字信号的读取。
    需要的电路如下:
    VDD所在上拉电阻开关断开,下拉电阻的开关闭合。
    根据前面浮空输入里面所提的,在没有信号输入的时候,根据电路知识,电平就是VSS的电平,此时读取到的电平就是低电平。此时输入的电平如果是一个低电平,就没有办法和之前的情况进行区分。但如果输入的是一个高电平,O点和VSS之间同样形成了电势差,O点的电平会变成外部的高电平,那么单片机得到的就是一个高电平信号。
    下拉输入的好处就是输入的电平不会上下浮动而导致输入信号不稳定,在没有信号输入的情况下可以稳定在低电平。

    模拟输入

    在这里插入图片描述
    模拟输入需要走的路径如图所示。首先得知道,模拟输出走的这一条路径,是我们需要对一个模拟信号进行读取。
    在我们使用单片机的时候,我们有时候需要用AD采集到IO口上面的真实电压。这就有了我们所需要的模拟输入。为了让外部的电压真实的读取到单片机的AD模块,我们既不能闭合上拉和下拉的开关,也不能让信号经过施密特触发器。

    优势:可以让AD读取电压。还可以在低功耗模式下运行,实现省电的作用。

    输出模式

    在输出模式下,同样也有四种输出模式,分别是

    • 开漏输出
    • 推挽输出
    • 复用开漏输出
    • 复用推挽输出

    开漏输出

    在这里插入图片描述
    ④⑤⑥⑦是读取的过程,此处不管。
    开漏输出的电路路径是①②③④,②前面的步骤就是一个对输出信号的控制,不是重点,开漏输出里面最重要的是③,也就是N-MOS这一部分,下面来补充一下模电知识。
    在这里插入图片描述
    我们可以把这一个MOS管当成一个三极管,对于图中所示的这种三极管我们可以简单的理解成一个水龙头,左侧就是一个水龙头开关,当给一个高电平的时候, O点和GND就会导通。(O点的输出就是一种反向器的输出,也就是O点的电平会和左侧MOS的栅极(三极管的基极)相反)
    所以说,开漏输出就很好理解了。当我们给一个低电平的时候,MOS管关闭,此时输出的电压就是一个浮空,即不确定的电压。如果给一个高电平,那么MOS管导通,相当于IO口与VSS相连,此处就输出了一个低电平电压。
    优势①
    虽然我们可以看到开漏输出是没有办法在内部输出一个高电平,但是这一个看似是缺点。其实实际上是一种优点。我们可以得到,当给一个低电平的时候,MOS管没有导通,此时电压不确定导致无法输出高电平,但是一旦我们在外部增加一个上拉,那么这一个缺点就会被有效避免。并且,因为是我们自己设计一个上拉,这个上拉的电压是由我们自己确定,这样我们就可以根据外部电路需要多少V的高电平来给这一个上拉的电压,可以更好的适应更多情况。如下图,我们可以给定任意的VDD电压,来适应我们实际所需要的情况。
    在这里插入图片描述
    优势②
    开漏输出的实质其实就是一个OD门(OD:漏极输出(Open Drain))。而在数电中,OD门有一个非常重要的特性就是可以实现线与的功能,简单来说,就是在像IIC这样的总线协议中,只要有一个给低电平,那么总线都会被拉低。

    推挽输出

    在这里插入图片描述
    推挽输出就是可以需要利用两个不同的MOS管来实现输出。
    P-MOS和N-MOS是不同的控制方式,当给一个高电平的时候,N-MOS导通,P-MOS不导通,此时IO口接通在VSS,此时输出的是低电平。当给一个低电平的时候,P-MOS导通,N-MOS导通,此时IO口接通在VDD电源上面,此时输出的是高电平。
    一定要把这个MOS管理解成开关控制的水龙头!!!
    优势
    带载能力强。

    复用开漏输出

    复用推挽和复用开漏其实很简单,在你理解了开漏和推挽的原理之后,如果你不想用单片机内部来输出,那么你可以进行复用,将输出转移到其他外设上面
    在这里插入图片描述

    复用推完输出

    在这里插入图片描述

    GPIO的输出速率

    在这里插入图片描述
    GPIO还有一个十分重要的概念,也就是响应速度,相应速度是指,当你的电平需要改变的时候,这个改变的时间需要多少。如果你对这个时间要求十分严格,那么一定要使用高输出速率的IO口。反之则反。

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