CORTEX-M3+UCOS-II 嵌入式系统开发入门与应用 作者：华清远见 第第 5 章章 STM32F103处理器内部资源处理器内部资源C编程与实例编程与实例 专业始于专注 卓识源于远见 2 5.1 I/O 控制模块控制模块 C 编程与实例编程与实例 5.1.1 实例内容与目标实例内容与目标 熟悉 STM32F103 处理器 I/O 编程方法； 通过实验掌握 STM32F103 处理器 I/O 控制 LED 显示的方法； 学习 LED 驱动原理。 5.1.2 I/O 控制模块操作原理控制模块操作原理 （1）STM32F103 处理器 I/O 控制工作原理。 STM32F103 处理器有 AE 5 组输入/输出端口， 每组端口都拥有自己的 2 个 32bit 寄存器 （GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH） 、2 个 32bit 数据寄存器（GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR） 、1 个 32bit set/reset 寄存器 （GPIOx_BSRR） 、1 个 16bit reset 寄存器（GPIOx_BRR）和 1 个 32bit 锁定寄存器（GPIOx_LCKR） 。 每组端口都有复用的功能，例如可以作为输入/输出端口，还可以定义为中断触发功能，用户可以通过软件 配置寄存器来满足不同系统和设计的需要。在运行主程序之前，必须先对每一个用到的引脚的功能进行设 置。如果某些引脚的复用功能没有使用，那么可以先将该引脚设置为通用 I/O 端口。 I/O 端口的配置过程类似，因此接下来主要以 GPIO E 端口作为对象来讲解端口配置的方法。 端口配置低寄存器 表 5.1 所示显示了低寄存器的定义。 表 5.1 端口配置低寄存器定义 比 特 位 定 义 Bits：31：30，27：26，23： 22，19：18，15：14，11： 10，7：6，3：2 软件可写位，配置相应的 I/O 端口。 输入模式（mode1：0 = 00） ： 00：模拟输入模式 01：浮点输入 10：输入上拉/下拉 11：保留位 输出模式（mode1：000） ： 00：通用功能输出上拉 01：通用功能输出 Open-drain 10：转换功能输出上拉 11：转换功能输出 Open-drain Bits29：28，25：24，21：20， 17：16，13：12，9：8，5： 4，1：0 软件可写位，配置相应的 I/O 端口。 00：输入模式 01：输出模式，最大速率 10MHz 10：输出模式，最大速率 2MHz 11：输出模式，最大速率 50MHz 端口配置高寄存器 表 5.2 所示为端口配置高寄存器的定义。 表 5.2 端口配置高寄存器定义 比 特 位 定 义 Bits：31：30，27：26，23： 22，19：18，15：14，11： 10，7：6，3：2 软件可写位，配置相应的 I/O 端口。 00：模拟输入模式 01：浮点输入 专业始于专注 卓识源于远见 3 10：输入上拉/下拉 11：保留位 Bits29：28，25：24，21：20， 17：16，13：12，9：8，5： 4，1：0 软件可写位，配置相应的 I/O 端口。 输入模式（mode1：0 = 00） ： 00：模拟输入模式 01：浮点输入 10：输入上拉/下拉 11：保留位 输出模式（mode1：000） ： 00：通用功能输出上拉 01：通用功能输出 Open-drain 10：转换功能输出上拉 11：转换功能输出 Open-drain 端口输入数据寄存器 GPIO 端口数据可以通过该寄存器读入。表 5.3 所示为端口输入数据寄存器的定义。 表 5.3 端口输入数据寄存器定义 Bits31：16 保留位，读出数据为 0 Bits：15：0 IDRx15：0：端口输入数据（x = 0, , 15） 该寄存器为只读寄存器并且只能在字模式下访问；读出数据为相应 I/O 端口的输入值 端口输出数据寄存器 地址偏移量：0Ch；初始值：00000000h。 GPIO 端口数据可以通过该寄存器输出。表 5.4 所示为端口输出数据寄存器的定义。 表 5.4 端口输出寄存器定义 Bits31：16 保留位，读出数据为 0 Bits：15：0 IDRx15：0：端口输入数据（x = 0, , 15） 该寄存器为可读/可写寄存器，只能在字模式下访问。 注意：该寄存器允许原子操作（设置/重启） ，每一位允许单独操作。通过对 GPIOx_BSRR 寄存器的操作，可以设置或重启任一比特位 比特位设置/重启寄存器 GPIOx_BSRR 地址偏移量：10h；初始化值：00000000h。 表 5.5 所示为比特位设置/重启寄存器的定义。 表 5.5 比特位设置/重启寄存器定义 Bits31：16 BRx：reset bit x（x = 1, , 15） 该寄存器为只写寄存器，而且仅能在字模式下访问。 0：对相应 ODRx 位不做任何操作。 1：重启 ODRx 相应位。 注意：如果同时设置了 BSx 和 BRx，BSx 具有较高优先级 Bits：15：0 BSx：相应的 x 位置位（x = 1, , 15） 该寄存器为只写寄存器而且仅能在字模式下访问。 0：对相应 ODRx 位不做任何操作。 1：ODRx 相应位置位 端口位重启寄存器 GPIOx_BRR 地址偏移量：14h；初始化值：00000000h。 表 5.6 所示为端口位重启寄存器的定义。 专业始于专注 卓识源于远见 4 表 5.6 端口位重启寄存器定义 Bits31：16 保留位 Bits：15：0 BSx：重启相应的 x 位（x = 1, , 15） 该寄存器为只写寄存器，而且仅能在字模式下访问。 0：对相应 ODRx 位不做任何操作； 1：重启相应 ODRx 位。 注意：如果同时设置了 BSx 和 BRx，BSx 具有较高优先级 端口配置锁定寄存器 GPIOx_LCKR 当该寄存器的 bit16（LCKK）通过正确的序列写入时，I/O 端口位配置被锁定。Bit15：0用于锁定 GPIO 的 配置。当对 bit16 进行写操作时，LCKR15：0不允许变化。 配置锁定寄存器的每一位对应控制寄存器（CRL，CRH）的 4 个 bit 位。 地址偏移量：18h；初始化值：00000000h。 （2）LED 结构及发光原理。 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于 1960 年。LED （Light Emitting Diode，发光二极管）的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的 架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED 结构如图 5.1 所示。 图 5.1 LED 结构图 发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和型半导体之间有 一个过渡层，称为 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把 多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注 入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。当它处于正向 工作状态时（即两端加上正向电压） ，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外 不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 LED 光源的特点 电压：LED 使用低压电源，供电电压在为 6V24V，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电 源更安全的电源，特别适用于公共场所。 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。 适用性：其体积很小，每个单元 LED 小片是 35mm2的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并 且适合于易变的环境。 稳定性：连续工作 10 万小时，光衰为初始的 50%。 响应时间：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级。 对环境污染：无有害金属汞。 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现 红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色、黄色，最后为绿 色。 价格：LED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通 常每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。 单色光 LED 的种类及其发展史 专业始于专注 卓识源于远见 5 最早应用于半导体 P-N 结发光原理制成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初。 当时所用的材料是 GaAsP， 发红光（p = 650nm） ，在驱动电流为 20mA 时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约 0.1 流明/ 瓦。 20世纪70年代中期， 引入元素In和N， 使LED产生绿光 （p = 555nm） 、 黄光 （p = 590nm） 和橙光 （p = 610nm） ， 光效也提高到 1 流明/瓦。 到了 20 世纪 80 年代初，出现了 GaAlAs 的 LED 光源，使得红色 LED 的光效达到 10 流明/瓦。 20 世纪 90 年代初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功，使 LED 的光 效得到大幅度的提高。在 2000 年，前者做成的 LED 在红、橙区（p = 615nm）的光效达到 100 流明/瓦，而 后者制成的 LED 在绿色区域（p = 530nm）的光效可以达到 50 流明/瓦。 单色光 LED 的应用 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应 用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英寸的红色交通信号灯为例，本来是采用长寿命、低光效 的 140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2 000 流明的白光。经红色滤光片后，光损失 90%，只剩下 200 流明的 红光。而在新设计的灯中，Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源，包括电路损失在内，共耗电 14W， 即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，LED 响应速度 快（纳秒级） ，可以及早让后车司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外，LED 灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 LED 驱动 由于单只 LED 管的工作电压低（1.5V2V） ，个别需达到 4V，同时工作电流仅为 1mA5mA，因此可以用 CPU 的通用输入/输出管脚（GPIO）就可直接控制。 图 5.2 所示为 STM32V100 评估板中由 CPU 直接驱动控制 LED 的原理图。以 LD1 为例，它的阳极通过串 联电阻接在CPU 的 PC6 管脚上，阴极接地。假设 LD1 的正向导通压降为 1.5V，当 PC6 输出高电平时，LD1 将会有电流通过，并导致 LD1 发光。反之，当 PC6 输出低电平是，LD1 几乎没有电流通过，因此将不会 发光。 图 5.2 LED 硬件连接图 5.1.3 I/O 控制实例操作步骤控制实例操作步骤 （1）准备实验环境：连接好主机 linker 目标板。 （2）启动 Keil Version 3，打开所需工程 GPIO.Uv