IO 开漏模式的特征和STM32 IO开路模式的配置和应用

概述

[1 IO 开漏模式](#1 IO 开漏模式)

[1.1 模式介绍](#1.1 模式介绍)

[1.2 主要特性](#1.2 主要特性)

[1.3 开漏 vs 推挽对比](#1.3 开漏 vs 推挽对比)

[2 STM32 IO 开漏模式](#2 STM32 IO 开漏模式)

[2.1 电路结构介绍](#2.1 电路结构介绍)

[2.2 STM32 开漏模式应用](#2.2 STM32 开漏模式应用)

[2.2.1 开漏模式配置](#2.2.1 开漏模式配置)

[2.2.2 开漏模式特性](#2.2.2 开漏模式特性)

[2.3 应用实例](#2.3 应用实例)

[2.4 STM32 开漏模式注意事项](#2.4 STM32 开漏模式注意事项)

概述

本文主要介绍IO 开漏模式的特征和STM32 IO开路模式的配置和应用方法，开漏模式为系统设计提供了极大的灵活性，特别是在总线通信、电平转换和多设备接口等场景中。正确理解和使用开漏模式是嵌入式开发的重要技能。

1 IO 开漏模式

1.1 模式介绍

IO开漏模式（Open-Drain）是一种常见的数字电路输出模式，特别是在微控制器的GPIO配置中。

电路结构：

开漏输出内部结构：

VDD

|

| (外部上拉电阻)

|

Pin ---+--- NMOS --- GND

|

保护二极管

|

输入检测

工作原理

输出0：内部NMOS导通，引脚输出低电平（接近GND）

输出1：内部NMOS截止，引脚呈高阻态，电平由外部电路决定

电平输出特征：

复制代码

开漏输出波形特征：
- 下降沿：快速（NMOS主动拉低）
- 上升沿：缓慢（依靠上拉电阻充电）
- 高电平：由上拉电压决定
- 低电平：接近0V

1.2 主要特性

1） 输出结构：

开漏输出只使用一个NMOS晶体管（或NPN晶体管）连接到输出引脚。当输出为逻辑0时，晶体管导通，将引脚拉低到地；当输出为逻辑1时，晶体管截止，输出引脚处于高阻状态（即不输出高电平）。

2）需要外部上拉电阻

由于开漏输出无法主动输出高电平，因此通常需要在输出引脚和电源（VCC）之间连接一个上拉电阻。当晶体管截止时，上拉电阻将引脚拉至高电平。

3） 电平转换：

开漏输出可以方便地实现电平转换。因为输出高电平由外部上拉电阻所连接的电源电压决定，所以可以使用不同的电源电压来适应不同的逻辑电平。例如，3.3V的微控制器可以通过开漏输出与5V的设备通信。

4） 线与连接

多个开漏输出可以连接到同一根总线上，通过一个共享的上拉电阻拉高。这样可以实现"线与"逻辑：只要有一个输出为低电平，总线就被拉低；只有当所有输出都为高阻态时，总线才被上拉电阻拉高。这种特性在I2C等总线协议中非常有用。

5） 驱动能力

开漏输出的下拉驱动能力通常较强（取决于晶体管的尺寸），但上拉能力取决于外部上拉电阻的阻值和电源电压。上拉电阻的阻值需要根据总线的电容和通信速度来选择，阻值太大会导致上升沿变慢，阻值太小会增加功耗。

6）功耗

当输出为低电平时，开漏输出会通过晶体管和地形成通路，产生持续电流，从而消耗功率。因此，在设计中需要注意避免长时间保持低电平输出，尤其是在电池供电的设备中。

7） 与推挽输出的区别：

推挽输出使用两个晶体管（一个PMOS和一个NMOS）分别负责输出高电平和低电平，能够主动驱动高电平和低电平，而开漏输出只能主动驱动低电平，高电平需要外部上拉。

8） 注意事项：

在使用开漏模式时，必须确保有上拉电阻，否则输出高电平时引脚将处于浮空状态，电平不确定。
上拉电阻的阻值需要根据实际应用选择，一般典型值在1kΩ到10kΩ之间，具体取决于总线电容和通信速度。

1.3 开漏 vs 推挽对比

特性	开漏输出	推挽输出
输出高电平	高阻态，靠上拉	主动驱动高电平
输出低电平	主动拉低	主动拉低
电平转换	支持	不支持
线与功能	支持	不支持
总线冲突	安全	可能损坏
驱动能力	下拉强，上拉弱	双向都强
功耗	静态功耗（上拉电阻）	切换功耗
速度	上升沿较慢	速度快

2 STM32 IO 开漏模式

STM32的开漏模式为系统设计提供了极大的灵活性，特别是在总线通信、电平转换和多设备接口等场景中。正确理解和使用开漏模式是STM32开发的重要技能。

2.1 电路结构介绍

STM32的IO开漏模式（Open-Drain）是一种常见的GPIO配置。在开漏模式下，输出驱动器由一个NMOS晶体管构成，

1）**当输出设置为0时，**NMOS导通，将引脚拉到低电平；

2）当输出设置为1时， NMOS截止，引脚呈现高阻态，此时引脚电平由外部电路（如上拉电阻）决定。

在STM32中，开漏模式通常用于以下情况：

电平不匹配：当需要与不同电压的设备通信时，开漏输出可以配合上拉电阻到目标电压，实现电平转换。

总线通信：如I2C总线，多个设备可以共享一条线路，通过开漏输出实现"线与"功能。

需要双向通信的场合

**注意：**开漏输出模式下，当输出1时，引脚处于高阻态，因此通常需要外部上拉电阻来确保高电平。

2.2 STM32 开漏模式应用

2.2.1 开漏模式配置

1） HAL库配置方法

cpp 复制代码

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 基本开漏输出配置
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;      // 开漏输出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不使用内部上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;  // 输出速度
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

2）复用功能开漏配置

cpp 复制代码

// 用于I2C等外设
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;  // SCL, SDA
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;         // 复用开漏
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;             // 使用内部上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;      // I2C1复用功能
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

2.2.2 开漏模式特性

1）输出特性

cpp 复制代码

// 开漏输出行为验证
void Test_OpenDrain_Behavior(void)
{
    // 配置为开漏输出
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);   // 输出高阻态
    // 此时引脚电平由外部电路决定
    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 输出低电平
    // 此时引脚被主动拉低到GND
}

2）读取开漏引脚状态

cpp 复制代码

// 即使配置为开漏输出，也可以读取引脚实际状态
GPIO_PinState Read_OpenDrain_Pin(void)
{
    // 读取引脚当前实际电平
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);
}

// 应用示例
void Monitor_OpenDrain_Pin(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 设置为高阻态
    
    // 等待外部设备拉低引脚
    while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET) {
        // 等待引脚被拉低
    }
    
    // 引脚被外部拉低，执行相应操作
}

2.3 应用实例

1） I2C总线应用

cpp 复制代码

// 完整的I2C GPIO配置
void I2C_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOB时钟
    
    // I2C1 SCL - PB6, SDA - PB7
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;         // 复用开漏
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;             // 内部上拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;      // I2C1复用功能
    
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    
    // 注意：某些STM32系列可能需要额外配置
}

2）电平转换应用

cpp 复制代码

// 3.3V STM32与5V设备通信
void Level_Shift_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // TX引脚：开漏输出，外部上拉到5V
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;              // TX
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;            // 不使用内部上拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // RX引脚：浮空输入（确保5V耐受）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;             // RX
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

3）多设备中断共享

cpp 复制代码

// 多个外部设备共享一个中断线
void Shared_Interrupt_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    // 所有设备的中断输出配置为开漏
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;            // 内部上拉确保默认高电平
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
    
    // 设备1中断输出 - PA0
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 初始化为高阻态
    
    // 设备2中断输出 - PA1  
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
    
    // MCU中断输入引脚配置
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

4）双向数据线应用

cpp 复制代码

// 单引脚实现双向数据传输
void Bidirectional_Data_Bus_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 配置为开漏输出，带内部上拉
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;            // 重要：内部上拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 初始化为释放状态（高阻态）
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
}

// 发送数据
void Send_Data(uint8_t data)
{
    if(data == 0) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET); // 拉低
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);   // 释放（高阻态）
    }
}

// 接收数据
uint8_t Receive_Data(void)
{
    // 确保引脚处于释放状态
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
    
    // 读取引脚状态
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_8);
}

2.4 STM32 开漏模式注意事项

1）上拉电阻选择

高速应用： 小电阻值（1k-4.7kΩ）

优点：上升沿快，驱动能力强

缺点：功耗大

低速应用： 大电阻值（10k-100kΩ）

优点：功耗低

缺点：上升沿慢，易受干扰

I2C标准推荐值：

标准模式(100kHz)：>1.5kΩ
快速模式(400kHz)：>1.0kΩ
快速模式+(1MHz)：>0.5kΩ

2）内部上拉 vs 外部上拉

复制代码

内部上拉优缺点：
+ 优点：节省PCB空间，成本低
- 缺点：电阻值固定（通常30-50kΩ），不适合高速应用

复制代码

外部上拉优缺点：
+ 优点：电阻值可精确选择，适合高速应用
- 缺点：占用PCB空间，增加成本

cpp 复制代码

// 内部上拉使用
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;  // 启用内部上拉

// 外部上拉使用  
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 禁用内部上拉
// 在PCB上添加外部上拉电阻

3） 5V耐受引脚

对于STM32F1系列：

所有IO都是5V耐受

对于STM32F4/F7/H7系列：

标记为"FT"或"FTf"的引脚是5V耐受 - 其他引脚只能承受3.3V

操作注意点：

cpp 复制代码

// STM32的5V耐受引脚（FT）
void FiveVolt_Tolerant_Pins(void)
{
    
    // 电平转换应用必须使用5V耐受引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    // 配合外部上拉到5V，实现3.3V↔5V电平转换
}

IO 开漏模式的特征和STM32 IO开路模式的配置和应用

概述

1 IO 开漏模式

1.1 模式介绍

1.2 主要特性

1.3 开漏 vs 推挽 对比

2 STM32 IO 开漏模式

2.1 电路结构介绍

2.2 STM32 开漏模式应用

2.2.1 开漏模式配置

2.2.2 开漏模式特性

2.3 应用实例

2.4 STM32 开漏模式注意事项

1.3 开漏 vs 推挽对比