通用输入输出接口

第五章通用输入输出 GPIO 目录 GPIO简介 数字量输入 输出 GPIO GPIO是通用型输入 输出 GeneralPurposeI O 的简称 主要用于工业现场需要用到数字量输入 输出的场合 例如 继电器 LED 蜂鸣器等的控制 传感器状态 高低电平等信息的输入等 目录 GPIO特性描述 I O结构 大部分GPIO为推挽输出 具有完整I2C功能的是开漏结构 管脚可承受最大5V的输入电压 正常拉出灌入电流为4mA 短时间极限值40mA GPIO特性描述 通用输入输出 所有GPIO寄存器位于AHB总线上 可以进行高性能的CPU快速访问 支持Cortex M3位带操作 GPIO允许进行DMA数据操作 可配置为上拉 下拉电阻 开漏和中继模式 LPC1700系列Cortex M3有5组GPIO 多达70个通用I O管脚 100管脚封装 GPIO特性描述 中断 LPC1700系列Cortex M3的P0和P2还具有中断功能 P0和P2每个引脚都可配置为上升沿 下降沿或双边沿中断 GPIO中断还具有掉电唤醒功能 目录 GPIO输入输出 I O相关寄存器 LPC1700系列Cortex M3具有5个端口 所以具有5组控制寄存器 一个GPIO引脚在某一时刻 只受4个位的控制 这4个位分布在该GPIO所属端口的4个控制寄存器中 GPIO输入输出 I O相关寄存器 LPC1700系列Cortex M3的高速GPIO口还可通过一些字节和半字访问的寄存器来控制 如FIOxDIR0 1 2 3 FIOxSET0 1 2 3 FIOxCLRL U等 GPIO相关寄存器描述 PINSELx FIOxDIR FIOxCLR FIOxPIN FIOxSET in out 1 0 GPIO相关寄存器描述 FIOxPIN 该寄存器反映了当前引脚的状态 FIOxPIN中的x对应于某一个端口 如P1口对应于FIO1PIN 所以芯片存在多少个端口 就有多少个IOxPIN分别与之对应 写该寄存器会将值保存到输出寄存器 具体使用稍后介绍 注意 无论引脚被设置为输入还是输出模式或者配置为其他可选的数字功能 都不影响引脚状态的读出 PINSELx FIOxDIR FIOxCLR FIOxPIN FIOxSET in out 1 0 GPIO相关寄存器描述 FIOxDIR 当引脚设置为GPIO输出模式时 可使用该寄存器控制引脚的方向 向某位写入1使对应引脚作为输出功能 写入0时作为输入功能 作为输入功能时 引脚处于高阻态 PINSELx FIOxDIR FIOxCLR FIOxPIN FIOxSET in out 1 0 GPIO相关寄存器描述 FIOxSET 当引脚设置为GPIO输出模式时 可使用该寄存器从引脚输出高电平 向某位写入1使对应引脚输出高电平 写入0无效 从该寄存器读回的数据为GPIO输出寄存器的值 该值不反映外部环境对引脚的影响 PINSELx FIOxDIR FIOxCLR FIOxPIN FIOxSET in out 1 0 GPIO相关寄存器描述 FIOxCLR 当引脚设置为GPIO输出模式时 可使用该寄存器从引脚输出低电平 向某位写入1使对应引脚输出低电平 写入0无效 注意 读取该寄存器无效 不能读回输出寄存器的值 GPIO输入输出 I O功能框图 IN OUT 1 0 GPIO PINSELx FIOxDIR FIOxSET FIOxCLR FIOxPIN FIOxMASK 输出置位寄存器 模式选择寄存器 功能选择寄存器 端口屏蔽寄存器 输出清零寄存器 端口方向控制寄存器 管脚值寄存器 复位后默认所有GPIO为上拉输入模式 GPIO输入输出 I O屏蔽寄存器 采用屏蔽寄存器FIOxMASK来屏蔽某些位 可以让软件在一个写操作过程中设置GPIO相应的位而又不影响到其他的管脚 u 电平不变 GPIO输入输出 I O操作流程 FIOxPIN GPIO输入 GPIO输出 1 高电平 1 输出操作流程 输入操作流程 1 使用GPIO注意要点 引脚设置为输出方式时 输出状态由FIOxSET和FIOxCLR中最后操作的寄存器决定 大部分GPIO输出为推挽方式 个别引脚为开漏输出 正常拉出 灌入电流均为4mA 短时间极限值40mA 复位后默认所有GPIO为输入模式 LPC PINCON PINSEL0 C代码 PINSEL0 FIO0DIR FIO0CLR FIO0PIN FIO0SET in out 1 0 GPIO应用示例 设置P0 0输出高电平 P0 0 uint32 tPinStat LPC PINCON PINSEL0 C代码 PINSEL0 FIO0DIR FIO0CLR IO0PIN FIO0SET in out 1 0 GPIO应用示例 读取P0 0引脚状态 P0 0 FIO0PIN defineDataBus0 xFFPINSEL0 使用FIOxSET和FIOxCLR实现 GPIO应用示例 输出多位数据至IO口 在需要将多位数据同时输出到某几个IO口线时 通常使用FIOxSET和FIOxCLR来实现 在某些情况下也可以使用FIOxPIN寄存器实现 后者可以在多个IO口上直接输出0和1电平 本例将8位无符号整形变量Data的值输出到P0 0 P0 7 数据输出线 defineDataBus0 xFFPINSEL0 GPIO应用示例 输出多位数据至IO口 在需要将多位数据同时输出到某几个IO口线时 通常使用IOxSET和IOxCLR来实现 在某些情况下也可以使用IOxPIN寄存器实现 后者可以在多个IO口上直接输出0和1电平 本例将8位无符号整数变量Data的值输出到P0 0 P0 7 使用FIOxPIN实现 数据输出线 GPIO应用程序示例 控制LED intmain void unsignedlongi LPC GPIO2 FIODIR 0 x0000000F 设置P2 0 P2 3方向为输出LPC GPIO2 FIOSET 0 x0000000F 初始化输出高电平 关闭指示灯while 1 LPC GPIO2 FIOCLR 0 x0000000F 输出低电平 点亮指示灯for i 1000000 i 0 i LPC GPIO2 FIOSET 0 x0000000F 输出高电平 关闭指示灯for i 1000000 i 0 i GPIO应用程序示例 控制按键 intmain void unsignedlongi 设置P2 0 P2 3方向为输出 P2 11 P2 12方向的输入LPC GPIO2 FIODIR 0 x0000000F 初始化输出高电平 关闭指示灯LPC GPIO2 FIOSET 0 x0000000F while 1 判断按键1P2 11是否按下及处理程序if LPC GPIO2 FIOPIN GPIO应用程序示例 控制按键 切换LED1的状态 原来输出为高电平 则改为输出低电平if LPC GPIO2 FIOPIN GPIO应用示例 状态机控制按键 一般的按键输入软件接口程序非常简单 在程序中一旦检测到按键输入口为低电平 有时可能为高 便采用软件延时的方法来进行消抖 然后再次检测按键输入 如果再次确认为低电平则表示有按键按下 转入执行按键处理程序 如果延时后检测的电平为高电平则放弃本次按键检测 重新开始一次按键检测过程 在简单的系统中这种方法比较可以用 但是在复杂的系统实时性要求较高的系统中这种方法的CPU利用率比较低 造成资源的浪费 另外 由于在不同的产品系统中对按键功能的定义和使用方式也会不同 而且是多变的 加上在测试和按键处理的同时 MCU还要同时处理其他的任务 如显示 计算 计时等 因此编写键盘和按键接口的处理程序需要掌握有效的分析方法 具备较高的软件设计能力和程序编写的技巧 而采用状态机的方法是一种比较好的方法 GPIO应用示例 状态机控制按键 可将将按键抽象为3个状态 1 未按下 假定为S0 2 确认有键按下 假定为S1 3 键释放状态 假定为S2 在一个系统中按键的操作是随机的 因此系统软件中要对按键进行循环查询 在按键检测过程中需要进行消抖处理 消抖的延时处理一般要10ms或20ms 因此取状态机的时间序列为10或20ms 这样不仅可以跳过按键消抖的影响 同时也远小于按键0 3 0 5S的稳定闭合时间 不会将按键过程丢失 GPIO应用示例 状态机控制按键 假定键按下时端口电平为0 未按下时为1 或者相反 通过状态机实现按键检测的过程如下 首先 按键的初始态为S0 当检测到输入为1时 表示没有键按下 保持S0 当按键输入为0时 则有键按下 转入状态S1 按键确认状态 在S1状态时 如果输入的信号为1 则表示刚才的按键操作为干扰 则状态跳转到S0 如果输入信号为0 则表示确实有键按下 此时可以读取键状态 产生相应的按键标志或者将该事件存入消息队列 同时状态机切换到S2状态 按键释放状态 在S2状态 如果输入信号为高电平 表明按键释放 则切换到S0 否则保持S2状态 GPIO应用示例 状态机控制按键 定义读取按键状态的宏 按键按下返回0 没有按下返回1 definekey input LPC GPIO2 FIOPIN 读按键I O电平 GPIO应用示例 状态机控制按键 switch key state casekey state 0 按键初始态 if key press 键被按下 状态转换到键确认态key state key state 1 break GPIO应用示例 状态机控制按键 casekey state 1 按键确认态 if key press 按键仍按下 状态转换到键释放态key state key state 2 else 按键已抬起 转换到按键初始态key state key state 0 break GPIO应用示例 状态机控制按键 casekey state 2 按键释放态 if key press 按键已释放 转换到按键初始态key state key state 0 按键有按下 并且已经释放 按键确认输出为 1 key return 1 break default break returnkey return GPIO应用示例 状态机控制按键 如何实现按键的长按和短按呢 GPIO应用示例 状态机控制按键 可将将按键抽象为4个状态 1 未按下 假定为S0 2 确认有键按下 假定为S1 3 键稳定按下状态 假定为S2 4 键释放状态 假定为S3 GPIO应用示例 状态机控制按键 假定键按下时端口电平为0 未按下时为1 或者相反 通过状态机实现按键检测的过程如下 首先 按键的初始态为S0 当检测到输入为1时 表示没有键按下 保持S0 当按键输入为0时 则有键按下 转入状态S1 在S1状态时 如果输入的信号为1 则表示刚才的按键操作为干扰 则状态跳转到S0 如果输入信号为0 则表示确实有键按下 此时可以读取键状态 产生相应的按键标志或者将该事件存入消息队列 同时状态机切换到S2状态 在S2状态 如果输入信号为1 则没有键按下 切换到S3 如果输入信号为0 则保持S2状态 并进行计数 如果计数值超过一定的门限值 则可以认为该按键为长按键事件或者键一直按下状态 如果未超过门限值 则认为是短按键事件 保持S2状态 在S3状态 如果输入信号为高电平 则切换到S0 GPIO的主要功能有 1 设置引脚的方向 2 引脚输出高电平 3 引脚输出低电平 4 读取引脚的电平状态 GPIO应用示例 库函数的设计 GPIO模块宏定义 定义端口名称 defineGPIO P00 defineGPIO P11 defineGPIO P22 defineGPIO P33 defineGPIO P44 定义端口方向名称 defineIN0 defineOUT1 GPIO应用示例 库函数的设计 GPIO模块宏定义 定义每个端口的引脚序号 defineGPIO Pin 0 unsignedint 0 x00000001 defineGPIO Pin 1 unsignedint 0 x00000002 defineGPIO Pin 2 unsignedint 0 x00000004 defineGPIO Pin 3 unsignedint 0 x00000008 defineGPIO Pin 4 unsignedint 0 x00000010 defineGPIO Pin 5 unsignedint 0 x00000020 defineGPIO Pin 6 unsignedint 0 x00000040 GPIO应用示例 库函数的设计 函数名称 GPIO GetPointer 函数功能 获取指向选定端口的结构体的指针 入口参数 portNum 端口号 用GPIO Px表示 x表示0 4 出口参数 pGPIO 指向选定端口的结构体的指针 其他 内部函数 不被外部调用 仅供本模块调用 staticLPC GPIO TypeDef GPIO GetPointer unsignedcharportNum LPC GPIO TypeDef pGPIO NULL 定义指向GPIO结构体的指针并初始化为0switch portNum case0 pGPIO LPC GPIO0 break case1 pGPIO LPC GPIO1 break case2 pGPIO LPC GPIO2 break case3 pGPIO LPC GPIO3 break case4 pGPIO LPC GPIO4 break default break returnpGPIO GPIO应用示例 库函数的设计 函数名称 GPIO SetDir 函数功能 设置引脚方向 入口参数 portNum 端口号 用GPIO Px表示 x表示0 4pinNum 引脚号 用GPIO Pin x表示 x表示0 31dir 引脚方向 用IN和OUT表示 出口参数 无 其他 同时设置多个引脚可以通过引脚号的或操作 voidGPIO SetDir unsignedcharportNum unsignedintpinNum unsignedchardir 获取指向要设定端口结构体的指针LPC GPIO TypeDef pGPIO GPIO GetPointer portNum if dir 方向为输出 pGPIO FIODIR pinNum else 方向为输入 pGPIO FIODIR GPIO应用示例 库函数的设计 函数名称 GPIO SetPin 函数功能 设置引脚输出高电平 入口参数 portNum 端口号 用GPIO Px表示 x表示0 4pinNum 引脚号 用GPIO Pin x表示 x表示0 31 出口参数 无 其他 同时设置多个引脚可以通过引脚号的或操作 voidGPIO SetPin unsignedcharportNum unsignedintpinNum 获取指向要设定端口结构体的指针LPC GPIO TypeDef pGPIO GPIO GetPointer portNum pGPIO FIOSET pinNum 输出高电平 GPIO应用示例 库函数的设计 函数名称 GPIO ClrPin 函数功能 设置引脚输出低电平 入口参数 portNum 端口号 用GPIO Px表示 x表示0 4pinNum 引脚号 用GPIO Pin x表示 x表示0 31 出口参数 无 其他 同时设置多个引脚可以通过引脚号的或操作 voidGPIO ClrPin unsignedcharportNum unsignedintpinNum 获取指向要设定端口结构体的指针LPC GPIO TypeDef pGPIO GPIO GetPointer portNum pGPIO FIOCLR pinNum 输出低电平 GPIO应用示例 库函数的设计 函数名称 GPIO ReadPin 函数功能 读取引脚电平值 入口参数 portNum 端口号 用GPIO Px表示 x表示0 4pinNum 引脚号 用GPIO Pin x表示 x表示0 31 出口参数 val 返回引脚电平 1表示高电平