MCU中GPIO口的驱动方式

导读： MCU芯片中GPIO口的驱动方式大的可分为输出和输入两类，小的分可以分为8种。

一、四种输入方式

①上拉输入：上拉输入抗干扰能力强，特别适合接地信号的输入（比如低电平有效的按键信号输入）。其工作原理如图1所示。

**图1、上拉输入模式**

• I/O 端口与TTL 施密特触发器之前接入了一个30K~50K 欧姆的上拉电阻，当I/O 端口悬空时，此时MCU 也能读到稳定的高电平状态，提高了噪声容限。

②下拉输入：下拉输入模式适合有效信号为高电平值的信号接入（比如高电平有效的按键信号输入），通过分压电阻来滤除信号毛刺，提高电平稳定性，其内部工作流程如图2 所示。

**图2、下拉输入模式**

③浮空输入：浮空输入的最大特点就是MCU 读到的引脚状态完全跟随外部IO 口的电平变化，一般用于按键输入，抗干扰性能不如上拉和下拉方式，如果按键状态取高低电平的话建议采用上下拉的方式，浮空输入用的比较少，浮空输入的工作流程如图3所示。

图3、浮空输入.PNG

• 红色指示箭头经过的黄色电路可以看出，信号直接由外部I/O 端口流到TTL 施密特触发器，整形后进入输入数据寄存器，然后由MCU 读取数据寄存器的电平状态

④模拟输入：模拟输入方式，顾名思义，就是将I/O 端口上的信号作为模拟信号直接输入到STM32 内部的ADC上，进行采样转换。其内部工作流程如图4 所示。

**图4、模拟输入模式**

二、四种输出方式

①开漏输出：开漏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较强(一般20ma 以内)。另外，开漏输出模式下的I/O 端口还可以实现双向通信口的功能，通过图5 所示的内部原理图就能明显看出来。

**图5、开漏输出模式**

• 从上图可以看出，开漏输出之所以能够实现双向通信的原因在于：当MCU 写1，即“输出控制电路”输出高电平时，N-MOS 管关断，此时I/O 的电平状态由外部的上拉电阻决定；同时，输入端的“TTL施密特触发器”开启，因此，MCU 可以随时读取到外部I/O 引脚上的电平状态。当MCU 写0，此时，N-MOS 管开启， I/O 口接入内部Vss 地端，即外部引脚被拉至低电平。

下面总结一下开漏输出的优点与不足：

优点：

• 驱动能力：利用外部电路的驱动能力，可以降低STM32 芯片内部IC 电路的驱动复杂度，这是由于开漏输出可以反向吸收外部流过负载的大电流。
• 电平匹配：用来匹配外部不同的电平传输，只需改变外部上拉电源的电压，就可以输出用户自定义的电平值（例如5V、12V、24V）。
• 线与功能：容易实现多个I/O 口的“线与”功能，只要将这些I/O 口连接在一起，加上上拉电阻即可。典型的应用就是I2C、SMBus 等总线可据此原理判断总线是否被占用。

不足：

• 当选择的外部上拉电阻的阻值较小时，信号上升沿输出时延小，但相应的功耗会增大；反之阻值较大，功耗降低，但上升沿输出延时增加。对于传输高频信号来说，用户应该结合具体应用进行一下权衡。

②开漏复用输出：开漏复用输出与开漏输出的不同点在于：“输入控制电路”的输入端接的是STM32 芯片内部的特定功能外设，例如内部SPI 模块输出的MISO、MOSI、SCK 信号引脚。如图6所示。

**图6、开漏复用模式**

• 一般情况下，当使用片上特定资源与外部器件进行通信时，需要将与该片上外设相关的引脚设置成开漏复用输出模式。

③推挽输出：推挽输出模式下，I/O 口可以输出高、低电平。本质上内部采用的是推挽结构，就是两个三极管分别受两互补信号的控制，同一时刻，只有一个三极管导通，另外一个截止。输出的高低电平值由IC 电路的电源决定。其内部工作流程如图7所示。

**图7、推挽输出**

• 图7中的P-MOS 和N-MOS 是两只参数完全对称的三极管，每次只有一个功率管导通，因此，导通损耗小，效率高。同时，输出端不仅可以向负载灌入电流，还可以从负载抽取电流，故又名“推拉式结构”。这种工作方式的最大优势在于：既能提高I/O 口带负载的能力，又能提高开关速度。

③推挽复用输出：推挽复用输出与推挽输出的差别在于“输出控制电路”的输入端连接的是STM32 芯片内部的外设电路，例如STM32 内部I2C 电路的SCL、SDA 信号引脚。其内部工作流程如图8所示。

**图8、推挽复用输出**

三、推挽和开漏输出的常规电路图

**推挽和开漏输出的常规电路图**