我们从2011年坚守至今,只想做存粹的技术论坛。  由于网站在外面,点击附件后要很长世间才弹出下载,请耐心等待,勿重复点击不要用Edge和IE浏览器下载,否则提示不安全下载不了

 找回密码
 立即注册
搜索
查看: 1487|回复: 14

[其他] 造物工场分享:数万硬件工程师梦寐以求的GPIO应用汇总!

[复制链接]

该用户从未签到

59

主题

54

回帖

0

积分

一级逆天

www.kbidm.com金百泽线上

积分
0

终身成就奖

发表于 2020-5-14 14:52:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?立即注册

×
关于GPIO,先来看个笑话

面试官:“听说过GPIO么?”

工程师:“听说过,经常用。”

“GPIO是什么?“”

“。。。。。。GPIO就是GPIO啊。。。”

“GPIO有什么用?”

“。。。。。。不知道。。。”

“好了,你可以回去了。”



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.png

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.png

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.png

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.png

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。



本文来源于网络,由造物工场整理,如有侵权,还请您联系小编,我们将尽快删除。
造物工场满足你关于PCB的所有设想——www.kbidm.com
回复

使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2024-10-30 08:48
  • 签到天数: 48 天

    [LV.5]常住居民I

    2

    主题

    1万

    回帖

    2万

    积分

    三级逆天

    积分
    20537

    终身成就奖特殊贡献奖原创先锋奖优秀斑竹奖

    QQ
    发表于 2020-5-14 15:17:01 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-10-30 08:39
  • 签到天数: 59 天

    [LV.5]常住居民I

    470

    主题

    5512

    回帖

    8778

    积分

    PADS-171101高级班

    积分
    8778

    终身成就奖特殊贡献奖优秀斑竹奖

    QQ
    发表于 2020-5-14 15:44:59 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2024-11-2 16:06
  • 签到天数: 28 天

    [LV.4]偶尔看看III

    2

    主题

    4503

    回帖

    1600

    积分

    PADS20210412初级班

    积分
    1600

    社区居民终身成就奖特殊贡献奖原创先锋奖优秀斑竹奖

    发表于 2020-5-14 21:49:28 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2024-10-7 21:17
  • 签到天数: 103 天

    [LV.6]常住居民II

    49

    主题

    1万

    回帖

    7万

    积分

    三级逆天

    积分
    73180

    终身成就奖特殊贡献奖原创先锋奖社区居民忠实会员社区劳模最爱沙发社区明星原创达人优秀斑竹奖宣传大使奖

    QQ
    发表于 2020-5-15 05:58:04 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2024-7-11 10:01
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]初来乍到

    108

    主题

    8802

    回帖

    1万

    积分

    三级逆天

    积分
    16371

    社区居民终身成就奖特殊贡献奖原创先锋奖优秀斑竹奖

    QQ
    发表于 2020-5-15 07:46:22 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    18

    主题

    1623

    回帖

    758

    积分

    二级逆天

    积分
    758

    终身成就奖

    QQ
    发表于 2020-5-15 08:23:40 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情

    昨天 13:44
  • 签到天数: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    14

    主题

    1万

    回帖

    1万

    积分

    三级逆天

    积分
    10716

    社区居民忠实会员社区劳模终身成就奖特殊贡献奖原创先锋奖优秀斑竹奖

    QQ
    发表于 2020-5-15 08:31:45 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    57

    主题

    2495

    回帖

    3869

    积分

    PADS20200601高级班

    积分
    3869

    终身成就奖

    发表于 2020-5-15 08:49:14 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    0

    主题

    112

    回帖

    65

    积分

    一级逆天

    积分
    65

    终身成就奖原创先锋奖

    QQ
    发表于 2020-5-15 08:54:14 | 显示全部楼层
    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

    本版积分规则

    公告:服务器刚移机,
    大家请不要下载东西。
    会下载失败


    Copyright ©2011-2024 NTpcb.com All Right Reserved.  Powered by Discuz! (NTpcb)

    本站信息均由会员发表,不代表NTpcb立场,如侵犯了您的权利请发帖投诉

    ( 闽ICP备2024076463号-1 ) 论坛技术支持QQ群171867948 ,论坛问题,充值问题请联系QQ1308068381

    平平安安
    TOP
    快速回复 返回顶部 返回列表