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COCOFLY教程 ——疯壳·无人机系列 GPIO（LED 航情灯、信号灯控制） / e k& j! P- Y7 T a5 c/ l9 H3 e
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1 C, p) h$ H% M, ]
& K' b/ a3 N! h; n8 E! b- q
3 o1 @' Q" H( b" K
图1
1 L8 C1 n9 D9 p; A5 I! P6 z X" ]5 ~
一、LED" z/ W/ H; I/ z& T7 W$ g
1.1LED 简介
* l7 E, B- \. D# O& k1 E6 z LED（Light Emitting Diode）即为发光二极管的缩写。LED 是一种在生活中非常常见的照明发光器件。LED 的在我们生活中形态种类非常的多，如下图所示。
2 n/ A7 \4 ~' U' J& T9 C2 w) x! d& C$ y/ E: ]0 m* ^4 F: z
: S, H) A8 ^+ X' U6 y# j+ o* m 图2 图3
3 k S* W! z: r! |6 \4 | 尽管 LED 在我们生活中形态非常地多，但这所有的 LED 在电路里均使用如下图所示的符号来表示。
v S% H% E1 C/ {' k' |7 M- S2 {7 }" Y
5 q |$ j* x9 J 图4
! x. {, n1 W7 p+ L2 y7 [
- a) P% q/ K: J& S- B5 l 1.2LED 发光原理( U3 _' J- C2 a8 l- V1 N
LED 最重要的一个发光结构就是灯内如绿豆大小般的灯珠。虽然它的体积很小，但它却内有乾坤，如下图所示为 LED 内部构造。" O3 l5 @' C2 g9 L0 A
$ {2 G. h3 [* [6 P! N+ P! [
. f% D' D- N# q' q4 U; b
图55 P7 J: x! d9 ^* ]8 N
. D7 E) s# b+ n% p! h0 } 这个结构极其复杂，一共分为好几层：最上层叫做 P 型半导体层、中间层为发光层、最下层叫做 N 型半导体层。* v+ {0 y+ V0 c8 P" ]4 \( d
从物理学角度来理解：当电流通过晶片时，N 型半导体内的电子与 P 型半导体内的空穴在发光层剧烈地碰撞复合产生光子，以光子的形式发出能量（即大家看见的光）。, x2 `* k! d" L
二、GPIO
# L2 b) e! m# D3 O 2.1GPIO 简介
" W. X6 v9 |3 ~3 s1 f |9 u GPIO(General-purpose input/output)，通用的输入输出的简称，单片机的引脚可以供使用者自由使用，可以配置为输出，也可以配置为输入。其中输出又可以是输出“高电平”或者“低电平”。在电子电路中“高电平”是电压高的状态， 用逻辑来表示即为 1，“低电平”是电压低的状态，用逻辑来表示即为 0。) p* c# o6 N1 g
STM32F103 系列是意法半导体基于 ARM Cortex M3 内核的 32 位单片机， 飞控上用的主核心是 48 脚的 STM32F103CBT6，其引脚如下图所示。
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% C. _( r* s% f5 ]' J- \* r
' S- @% P$ k5 l
图6
2 J+ V7 A" \3 ^, X( x) x6 V7 X# z! _4 ?; u; |7 C
STM32F103CBT6 的 GPIO 的功能较多，有 A、B、C、D 等四组 GPIO，每组每个 GPIO 口都可以作为输出输出口使用之外， 还能作为复用引脚使用， 比如串口、I2C、SPI 等特殊接口的引脚。 但是需要注意的是每个引脚的复用功能是有限制的， 所以硬件连接时需要注意每个引脚有哪些复用功能， 这个可以在STM32F103 的数据手册中查看。GPIO 口一共有 8 种模式，分别为：浮空输入， 上拉输入，下拉输入，模拟输入，开漏输出，推挽输出，推挽式复用功能，开漏式复用功能，如下表所示。
. I8 J5 L' V0 u2 e8 X+ ]* ^ STM32F103GPIO 工作模式
8 R' I! ]( w5 j4 n- w" L& j7 i% t- h
4 J1 b% A0 F& D! I6 r
图7
/ V" m0 |0 @2 c3 T5 N3 {, V 这 8 种功能我们就不一一介绍了， 有兴趣可以上网搜索了解一下，这里主要讲解一下开漏输出和推挽输出的区别。4 y# h) ]3 H- Q& j/ b I
（1）开漏输出：
7 C r, h( i8 b: I9 C6 a 输出端相当于三极管的集电极. 需要上拉电阻才能得到高电平， 利用外部上拉电阻的驱动能力，减少 IC 内部的驱动，驱动能力强，适合于做电流型的驱动， 可达到 20mA。- f; p+ k- ^; I2 f1 _( A+ L
（2）推挽输出：$ T; k: y% p5 G
可以输出高，低电平,连接数字器件，是由两个参数相同的三极管或 MOSFET 以推挽方式连接，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，既提高电路的负载能力， 又提高开关速度。
$ V3 V# b, J8 {* i# {9 h 总结一下：推挽输出可以输出强高低电平，连接数字器件；而开漏输出只可以输出低电平，高电平得靠外部电阻拉高。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）。' ] H( z6 m' _: L5 `
2.2GPIO 相关寄存器; }9 P& ^/ p9 p) y
STM32F103 的每个 GPIO 端口有：两个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL 和GPIOx_CRH)、两个 32 位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)、一个 32 位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)、一个 16 位复位寄存器(GPIOx_BRR)、一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
& K9 i P1 L/ ]+ H4 B b （1）GPIOx_CRL 寄存器（x=A~G）
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, C- e- C# s Y8 c) v$ @* @# L) }
5 }4 v. W$ [+ s% w% Y 图8" |% R9 h2 T; ~- N! U. g E& V8 h( ^
该寄存器用于配置 IO0~7 的输入输出模式以及速率设置。
- N V) B8 V) H& H2 H （2）GPIOx_CRH 寄存器（x=A~G）
2 p. {! G: A2 i/ D+ j, I( ]7 t' ~6 p/ Z y9 x- y
4 d9 ]5 \8 w, p2 U* b
. u& l, z! X# s& y
图9+ s7 u+ D9 r8 Y; u# J
该寄存器用于配置 IO8~15 的输入输出模式以及速率设置。. ?9 S4 Q7 F% s" E
（3）GPIOx_IDR 寄存器(x=A~G)
6 Q2 b% [+ h0 E( C* ?- | [" i" o* n# ]9 m% X
* v( k2 @6 Z& c/ v4 t
图10
2 i% R* D/ x, J& x7 w2 u! h IDR 是 GPIO 的输入数据寄存器。通过 IDR 寄存器可以读出 IO 的状态。需要注意的是 IDR 寄存器只能以字（16 位）的形式读出。) n( |6 S7 U; |& O2 f
（4）GPIOx_ODR 寄存器(x=A~G)
. l' |3 w- |! d5 d8 J" I
% D$ {$ w# O9 M6 X8 M, I, A3 x2 F
+ `* a& M( O6 V7 ?9 a: U1 U 图114 j( z B# X5 F d
' g- n. q# z- ?3 r
ODR 是 GPIO 的输出数据寄存器。通过 ODR 寄存器可以输出高低电平。
$ y7 M9 Q3 v- |. Q9 U* c （5）GPIOx_BSRR 寄存器(x=A~G)
; x) ~. J7 e' S; h, n" a0 c V2 }1 C6 D
4 x6 u6 q4 f' a+ b, T
图12
6 x0 L! d. q O' L
7 ], |# B2 E* ?0 |$ b BSRR 是GPIO 的端口位设置/清除寄存器。BSRR 寄存器的高 16 位是清除IO 位，低 16 位是置位 IO 位。需要注意的是 BSRR 只有在写入 1 的时候，相应的功能才有作用，写入 0 是无效的。
$ n1 o% y( T0 @ （6）GPIOx_BRR 寄存器(x=A~G)
9 a: F$ Y; x- _% `" S% X4 o- c8 o3 H0 z
7 K. x* a( Q4 s$ s: D
图13
& v$ R3 P/ @7 _5 K8 [) y* V BRR 是 GPIO 的端口位清除寄存器。BRR 基础只有在写入 1 的时候，相应的功能才有作用，写入 0 无效。- o) J4 ^" U4 ? A! H5 t
（7）GPIOx_LCKR 寄存器(x=A~G)0 O! n: g, S' A4 U; E. B
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& D" Z3 e7 t& I, [# @ 图142 a1 n9 J5 l4 o/ p, @) [
LCKR 是GPIO 的端口配置锁定寄存器。LCKR 寄存器用来锁定IO 口的配置， 设置后，除了复位后不能再配置 IO 的状态。
6 Z9 W: M" _8 l# q2 A, ?
% f& r' f4 ]( q! {) X4 }$ Q 2.3GPIO 实验
1 W+ F1 R3 c& @* d U 本节实验的内容是周期性点亮无人机的航情灯以及信号灯，其中航情灯在四个螺旋桨底下，而信号灯则在开关两侧。
H- H% O& t* \, X+ \ |) E 查看原理图可以得知无人机的航情灯同一接在 NPN 三极管 Q1 上，而三极管的基极又接在了单片机的 PA8 上；两个信号灯分别接在了 PC13 和 PC14 上。
9 W X, n6 z3 C; T
- @' g/ s; E% I) I+ ~! O! T7 ?% C& {7 c
! u& ?$ R" j3 ^. M 图15 图16: k3 t+ D$ ]/ M# I/ S( v0 q
6 a8 ]. w' }' t; j' A
* h* o' j$ p4 |1 \5 p
" f# S$ S/ S4 C2 @4 A6 d4 h 图17
, n) o# `$ d! T! j9 o8 G+ A) h: t- x- K
编写代码的思路如下表所示
4 m/ o U4 V7 f5 a# }
# w! ]0 g, y0 l: R/ H o
; E% p0 R0 x) X/ s- |2 {5 F1 j
图18 y1 n/ @1 ? b) s
按照代码思路，编写代码（通过调用官方库） 如下图所示：% h" s ]& T' p- b; d" L k
[4 _) U+ }* F
! \: _7 I5 ~! D4 N4 ? A0 t8 u" M 图19: r9 d* E9 Q5 b( T2 \% |0 j7 ]
9 H- m! @3 }' B8 q
$ K1 H$ }# K: g
/ t' b0 B2 R3 }/ D" z ~, u# @
图20- U) @* B* b6 X/ U$ v
完成配置后只需要周期点亮以及关闭 LED 即可。
- C7 }9 I. Q) O( F* E& P& P% E7 b4 O" f* j& y1 C% T4 ^
% `8 c. O2 s1 R2 @% Y' Z8 [0 u
图21
9 o3 w. ]' ?9 r 其中延时如下图所示。6 R7 E# W$ S3 P) W0 R F
2 _+ Y0 n( |; w" h: V
# S1 c- @3 z9 v$ E* }
图22
/ I3 o' ]; s+ z/ q2 Q 保存、编译、下载，如下图所示，1 为保存，2 为编译，3 为下载。
3 K' o# R1 W; K% \1 A8 F
8 Q [- K# [/ n9 Z( r, N5 o
0 i0 X- c% e7 q
: |8 j) H# c6 H m 图23
! B, b" m- y. A8 Z 下载代码到飞控上，就可以看到飞控的 LED 指示灯以及四个螺旋桨下面的航情灯周期闪烁的现象了，如下图所示。' \( m6 Z5 E3 e
* d/ M" D' J4 ?6 l& W
0 m$ k; I; B& y/ Y( y6 W
+ m* F& e* ?# { 图24
9 @# P1 q7 ?1 N! y8 I0 s; i
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' e$ ~' u. f8 I$ b0 D
0 V, a0 W" }' } G9 z4 h3 M+ d文件下载请点击：
【1】GPIO（LED航情灯、信号灯控制）.pdf
(1.02 MB, 下载次数: 0)
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发表于 2022-9-7 11:13
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