电路元器件和GPIO控制器

一、电阻

1.1定义和原理：

电阻是阻碍电流流动的元器件，单位为欧姆（Ω），表明了此电阻对电流阻碍作用的大小，串联时计算公式为

，并联时为。

1.2主要应用：

1.限流 2.分压 3.充当上下拉电阻保证引脚电平稳定

二、电容

2.1定义：

电容器由两个相互靠近的导体组成，中间夹一层不导电的绝缘介质(电介质)。单位是法拉（F）。

2.2原理：

当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器以电场能的形式储存电能量，储存的电荷量与电压和电容值有关。外加电压V、极板上的 电荷Q以及电容值C之间的关系为：C = Q/V。

计算公式为（串联），

（并联），

（容抗）。

2.3特性

通高频阻低频，通交流隔直流。

2.4应用

1.滤波

通过信号降压放电升压充电来稳定电压

2.去耦/旁路

耦合本质为模块之间干扰互相影响，比如当电流瞬间增大时会由于寄生电感产生压降，电容通过放电稳定电压降低对其他模块的影响。由于电容阻抗在高频时越低，电容并联在电路中，高频噪声通过电容流向GND

三、电感

3.1介绍与原理：

电感核心作用是**阻碍电流的变化，**依据楞次定律可知电流变化时会产生阻碍电流变化的感应电动势，可以让电流不突变。

电感系数L的单位为亨利（H），计算公式为（串联），

（并联），

（感抗）。

3.2特性与应用：

通直流，阻交流（扼流：除交流纹波和噪声）

通低频，阻高频（滤波：滤除电路中的高频电磁干扰）

通电时，电感将电能转化为磁场能储存（储能）

四、二极管

4.1介绍：

P性半导体（多空穴）和N型半导体（多电子）组成的PN结内部形成耗尽层（也是内部电场：N指向P的正向电势差），阻碍电流通过；这就是二极管的单向导电性。

正向偏置：阳极连正极，阴极连负极，此时外加电压削弱了PN结的内部电场，电流正常流通。

4.2特性：

单向导电性

导通后****降压（降低导通电压的大小）

4.3应用：

1.充当稳压器

2.串联降低输出电压

**3.**串联在电源正极防止电源反接

不同二极管利用了二极管的不同基础属性：

整流：利用PN结的"单向导电性"

稳压：利用"反向击穿特性"

ESD防护：利用"瞬间反向击穿与泄放能力"

晶体管分类：主要有双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）两大类，主要区别分别是电流控制电流和电压控制电流。

五、双极型晶体管

5.1介绍：

双极型晶体管其实就是两个PN结组合而成的元器件，**可用作电控开关或者放大控制器，**分为PNP型和NPN型。

双极型晶体管由三个区域组成，分别是发射区（e）、基区（b）和集电区（c），发射区和集电区之间 通过基区相互作用。

三极管电流公式

5.2特性

|-------|---------------------|---------------------|
| 晶体管类型 | NPN | PNP |
| 导通条件 | Vc>Ve,Vb>=Ve+0.6V | Vc<Ve,Vb<=Ve-0.6V |

输入特性曲线

输出特性曲线

其中Uon指的是半导体器件的开启电压，也就是克服 PN 结内部"内建电场"所需的最小电压。通常取0.7V（硅管 (Si)）或者0.2V（锗管 (Ge)）。

场效应管(Field Effect Transistor)是单极型晶体管。在场效应管中，只有一种载流子运动，电子或者空穴，流向一个极，因此叫单极型晶体管。

场效应晶体管可分为金属氧化物场效应管(MOSFET)和结型场效应管(JFET)。

六、MOS管（金属氧化物场效应管MOSFET）

6.1介绍

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。

N沟道EMOS管外部工作条件：

• 𝑉𝐷𝑆 >0(保证栅漏PN结反偏)。

U(衬底极)接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。

• 𝑉𝐺𝑆 > 0(形成导电沟道)。

场效应管的核心原理是通过𝑉𝐺𝑆两端的电压，控制漏极电流𝐼𝐷，因此也被称为"压控型"器件。

6.2特性

电压控制导通

输出特性曲线：描述了漏极电流𝐼𝐷与漏源电压VDS之间的关系，同时以栅源电压VGS 作为参变量。

转移特性曲线：反映了漏源电压VDS为常数时，栅源电压VGS对漏极电流𝐼𝐷的控制 作用，可由输出特性转换得到。

截止区

Vgs小于开启电压，无法形成导通沟道，id≈0；

线性区

Vgs大于开启电压，形成导通沟道，此时Vd增加Id线性增加类似电阻；

恒流区

Vd增大导致Vgd小于开启电压，漏极附近的沟道变窄，虽然Vd对电子的吸引力增强也不会对电流有更大的提升

七、 GPIO控制器

7.1定义

GPIO代表通用输入/输出，是一种用于与外部设备通信的通用接口。

在嵌入式系统中，GPIO通常是一组可以配置为输入或输出的引脚， 用于与外部电子元件（如传感器、执行器、LED等）进行数字通信。

GPIO模式分类

7.2TTL施密特触发器

施密特触发器是一种整形电路，可以将输入信号整形为方波信号； • 当输入电压高于正向阈值电压，输出为高； • 当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；

IO口信号经过触发器后，可以将电平分为高电平与低电平，也就是1和0的数字信号。

TTL施密特触发器上触发点2.31V：0.7*VDD（1.7V≤VDD≤3.6V）

TTL施密特触发器下触发点0.99V：0.3*VDD（1.7V≤VDD≤3.6V）

5V容忍输入电压范围：-0.3V~5.5V（2V≤VDD≤3.6V）

7.3GPIO输入模式

常用来检查芯片外部IO引脚的状态，外部电压经过TTL施 密特触发器之后，将输出逻辑，最终写于GPIO寄存器。

7.3.1浮空输入

浮空输入模式是一种高阻态模式 ，不设置上拉或者是下拉，引脚不连接 到外部电路，处于高阻状态。当接入外部电路时，则可通过读取引脚的 电平状态来检测外部信号高低电平的变化。

7.3.2上拉输入

上拉输入的特点是具有内部上拉电阻 ，引脚的默认电平为高电平，常 用于检测外部信号为低电平。

7.3.3下拉输入

下拉输入的特点是具有内部下拉电阻 ，引脚的默认电平为低电平，常 用于检测外部信号为高电平。

7.4GPIO输出模式

7.4.1推挽输出

推挽输出模式，是根据P-MOS和N-MOS管的工作方式命名的。 • 在该结构单元输入一个低电平时，P-MOS管导通，N-MOS管截止，对外输出高电平。 • 在该结构单元输入一个高电平时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，对外输出低电平。

输入低电平（输入1反向为0）

7.4.2开漏输出

开漏输出模式时，不论输入是高电平还是低电平，P-MOS管总处于关闭状态。 • 当输入高电平时，N-MOS管导通，输出即为低电平， • 当输入低电平时，N-MOS管截止，这个时候引脚状态既不是高电平，也不是低电平，我们称 之为高阻态。 • 如果想让引脚输出高电平，那么引脚必须外接一个上拉电阻，由上拉电阻提供高电平。

7.5ODR与BSRR寄存器的区别

ODR：读，位操作，写

BSRR：设置，只写

7.6模拟和复用模式

模拟模式：IO引脚上的模拟电压在GPIO部分不做 任何处理，直接输入到芯片内部的ADC控制器部分进行采样处理。

复用模式：将IO引脚设置为复用模式后，该管脚状态的控制不再由GPIO控制器控制 其高低状态，而是由对应的外设控制器进行状态控制。

八、GPIO寄存器映射

8.1GPIO不同组对应的寄存器基址

规律：每组的基址在上一组的基址上加0x400

8.2组内寄存器地址映射

九、HAL库接口

9.1GPIO引脚初始化配置结构体

typedef struct {
uint32_t Pin; /* 要配置的GPIO引脚 */
uint32_t Mode; /* GPIO引脚的工作模式 */
uint32_t Pull; /* GPIO引脚是否使用上、下拉电阻 */
uint32_t Speed; /* GPIO引脚电平反转速度 */
uint32_t Alternate; /*!< GPIO引脚复用模式*/
} GPIO_InitTypeDef;

9.2GPIO引脚状态

typedef enum {
GPIO_PIN_RESET = 0,    //低电平0
GPIO_PIN_SET           //高电平1
}GPIO_PinState;