零死角玩转stm32-初级篇之KEY（Polling）

fire_Freescale · 发表于 2013-7-16 17:29:13

　　　　7、KEY（Polling）

　在LED灯例程中我们已经简单体验了GPIO的强大之处。更强大的还在后头，野火开发板使用的芯片型号是STM32F103VET6，具有100个管脚，除去晶振输入、电源输入、Boot引脚，剩下的80个引脚均为GPIO。它们分布在GPIOA~GPIOE的5个端口组之中，每个小组有16个引脚，所有的GPIO引脚都可以用作外部中断源的输入，每个GPIO引脚可配置为8种模式，不同的引脚还有相应的复用功能，复用功能重映射等，足以满足应用需求，也足以把初学者弄得晕头转向。
本章以按键工程为例，着重分析GPIO的模式配置。
　　7.1 GPIO的8种工作模式
在初始化GPIO的时候，根据我们的使用要求，必须把GPIO设置为相应的模式。如LED例程中的GPIO引脚如果配置为模拟输入模式是必然会导致错误的。
我们配合GPIO结构图，来看看GPIO的8种模式及其应用场合：

图 71 GPIO结构图

图的最右端为I/O引脚，左端的器件位于芯片内部。I/O引脚并联了两个用于保护的二极管。
7.1.1四种输入模式
结构图的上半部分为输入模式结构。
接下来就遇到了两个开关和电阻，与VDD相连的为上拉电阻，与VSS相连的为下拉电阻。再连接到施密特触发器就把电压信号转化为0、1的数字信号存储在输入数据寄存器(IDR)。我们可以通过设置配置寄存器(CRL、CRH)，控制这两个开关，于是就可以得到GPIO的上拉输入(GPIO_Mode_IPU ) 和下拉输入模式(GPIO_Mode_IPD )了。
从它的结构我们就可以理解，若GPIO引脚配置为上拉输入模式，在默认状态下(GPIO引脚无输入)，读取得的GPIO引脚数据为1，高电平。而下拉模式则相反，在默认状态下其引脚数据为0，低电平。
而STM32的浮空输入模式(GPIO_Mode_IN_FLOATING)在芯片内部既没有接上拉，也没有接下拉电阻，经由触发器输入。配置成这个模式直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值。由于其输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通讯协议如I2C、USART的接收端。
模拟输入模式(GPIO_Mode_AIN )则关闭了施密特触发器，不接上、下拉电阻，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。如传送至给ADC模块，由ADC采集电压信号。所以使用ADC外设的时候，必须设置为模拟输入模式。
7.1.2四种输出模式
结构图的下半部分为输出模式结构。
线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。而所谓推挽输出模式，则是根据其工作方式来命名的。在输出高电平时，P-MOS导通，低电平时，N-MOS管导通。两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的供电平为0伏，高电平为3.3伏。
在开漏输出模式时，如果我们控制输出为0，低电平，则使N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1 (无法直接输出高电平)，则既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须在外部接上一个上拉电阻。它具“线与”特性，即很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。
STM32的GPIO输出模式就分为普通推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP )、普通开漏输出 (GPIO_Mode_Out_OD)及复用推挽输出(GPIO_Mode_AF_PP )、复用开漏输出(GPIO_Mode_AF_OD )。
普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏的场合。而普通开漏输出一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就需要在外部接一个上拉电阻，电源为5伏，把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。
对于相应的复用模式，则是根据GPIO的复用功能来选择的，如GPIO的引脚用作串口的输出，则使用复用推挽输出模式。如果用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式。其它不同的复用场合的复用模式引脚配置将在具体的例子中讲解。
在使用任何一种开漏模式，都需要接上拉电阻。
7.2 按键实验分析
了解了GPIO的8种工作模式之后，立即进行一下小测。如果采用以下的电路，我们的按键GPIO端口应该如何进行配置？
有两个方案可以选择，一是采用上拉输入模式，因为按键在没按下的时候，是默认为高电平的，采且内部上拉模式正好符合这个要求。
第二个方案是直接采用浮空输入模式，因为按照这个硬件电路图，在芯片外部接了上拉电阻，其实就没必要再配置成内部上拉输入模式了，因为在外部上拉与内部上拉效果都是一样的。
野火STM32开发板按键硬件原理图（GPIO端口相对第一版有小改动）：

图 72 野火STM32开发板按键硬件图

7.3按键代码分析
7.3.1实验描述及工程文件清单

7.3.2配置工程环境
本按键实验中用到了GPIO和RCC片上外设，所以要把外设函数库文件FWlib/stm32f10x_gpio.c和FWlib/stm32f10x_rcc.c文件添加到工程模板之中。实验中还使用了LED灯，为了重用代码，我们把在前面写好的led.c和led.h用户文件复制到USER目录下，并添加到工程之中。配置工程环境最重要的一步就是别忘记在stm32f10x_conf.h文件中把使用到的外设头文件包含进来。
/**
********************************************************
* @file Project/STM32F10x_StdPeriph_Template/stm32f10x_conf.h
* @author  MCD Application Team
* @version V3.5.0
* @date 08-April-2011
* @brief Library configuration file.
*****************************************************/
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
7.3.3 main文件
顺着代码的执行流程，从main函数开始分析，这样阅读和分析别人写的代码更有条理。
/*
* 函数名：main
* 描述  ：主函数
* 输入  ：无
* 输出  ：无
*/
int main(void)
{
/* config the led */
LED_GPIO_Config();
LED1( ON );
/*config key*/
Key_GPIO_Config();
while(1)
{
if( Key_Scan(GPIOE,GPIO_Pin_5) == KEY_ON  )
{
/*LED1反转*/
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_3,
(BitAction)((1-GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_3))));
}
}
}
由于采用的为3.5版本的库，上电后，启动文件已经调用了SystemInit() 将我们的系统时钟SYSCLK配置为72MHz。接着进入到main函数，第一步先调用了在LED灯例程中编写的LED_GPIO_Config()，配置LED用到的I/O。再使用LED1( ON ) 宏，把LED设置为点亮状态。为了使用LED这部分代码，我们只要把前面写的led.c和led.h文件复制一份，放到本工程目录下，把led.c添加到工程就可以了，这样重用代码，变得非常方便。关于这部分的具体分析可参考LED代码讲解部分。
7.3.4 GPIO初始化配置
现在我们分析一下紧接下来调用到的Key_GPIO_Config()函数。
/*
* 函数名：Key_GPIO_Config
* 描述  ：配置按键用到的I/O口
* 输入  ：无
* 输出  ：无
*/
void Key_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*开启按键端口（PE5）的时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
//  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
}
Key_GPIO_Config() 跟LED的GPIO初始化函数LED_GPIO_Config()是很类似的，区别只是在这个函数中，要开启的GPIO外设时钟为GPIOE的时钟，并且把检测按键用的引脚PE5的模式，设置为适合按键应用的上拉输入模式（由于接了外部上拉电阻，也可以使用浮空输入，读者可自行修改代码做实验）。在这个函数的第15行，读者注意到这行代码是被注释掉的，若GPIO被设置为输入模式，是不需要设置GPIO端口的最大输出速度的，当然，如果配置了这个速度也没关系，GPIO_Init()函数会自动忽略它的。
在RCC_APB2PeriphClockCmd() 和GPIO_InitStructure.GPIO_Pin 的输入参数设置之中，我们可以用符号“|”，同时配置多个参数。如：
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
输入参数为RCC_APB2Periph_GPIOE| RCC_APB2Periph_GPIOC ，这样调用之后，就把GPIOE和GPIOC的时钟都开启了。
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6;
以上代码则表示将要同时配置GPIO端口的Pin5和Pin6。
7.3.5利用库的数据类型
回到main函数中的应用代码，初始化了按键的GPIO之后，就在死循环里不断调用一个函数Key_Scan()，用于扫描按键是否被按下。我们使用keil使用技巧中介绍的“GO ToDefinition of ”功能追踪它的定义：
/*
* 函数名：Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,u16 GPIO_Pin)
* 描述  ：检测是否有按键按下
* 输入  ：GPIOx：x 可以是 A，B，C，D或者 E
GPIO_Pin：待读取的端口位
* 输出  ：KEY_OFF(没按下按键)、KEY_ON（按下按键）
*/
u8 Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,u16 GPIO_Pin)
{
/*检测是否有按键按下 */
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON )
{
/*延时消抖*/
Delay(10000);
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON )
{
/*等待按键释放 */
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);
return  KEY_ON;
}
else
return KEY_OFF;
}
else
return KEY_OFF;
}
相信延时消抖的原理大家在学习其它单片机的时候是非常了解了，本函数的功能就是扫描输入参数中指定的引脚，检测其电平变化，并作延时消抖处理，最终对按键消息进行确认。
1.利用GPIO_ReadInputDataBit() 读取输入数据，若从相应引脚读取得的数据等于0 (KEY_ON)，低电平，表明可能有按键按下，调用延时函数。否则返回KEY_OFF，表示按键没有被按下。
2.延时之后再次利用GPIO_ReadInputDataBit() 读取输入数据，若依然为低电平，表明确实有按键被按下了。否则返回KEY_OFF，表示按键没有被按下。
3.循环调用GPIO_ReadInputDataBit()一直检测按键的电平，直至按键被释放，被释放后，返回表示按键被按下的标志KEY_ON。
以上是按键消抖的流程，调用了一个库函数GPIO_ReadInputDataBit()。输入参数为要读取的端口、引脚，返回引脚的输入电平状态，高电平为1，低电平为0；

图 03 GPIO输入数据读取函数

但按键消抖并不是本小节的重点，而且这样的消抖在实际的工程应用中并无价值。重点是教会大家如何利用ST库定义的新数据类型来编写用户函数。
Key_Scan()函数的形参，其实跟GPIO_ReadInputDataBit()的形参是一样的，都是(GPIO_TypeDef* GPIOx,u16 GPIO_Pin) ，如果再在Key_Scan()的定义中加入断言，用于输入参数检查，看起来是不是很像ST 官方的库函数？其实这是野火写的一个用户函数。
这个例子告诉大家，在stm32f10x.h文件中的新数据类型，我们不但可以利用它们来定义变量，还应善于利用这些数据类型来编写用户函数。如这个Key_Scan()函数，由于使用了这些引脚类型形参，在其它不同的工程之中，我们就可以在调用时，通过输入不同的实参，来检测其它按键的引脚了。
如在调用Key_Scan()函数时，把实参改成(GPIOE，GPIO_Pin_6)，就可以用Key-2来控制LED1啦(当然，GPIO_Pin_6要在Key_GPIO_Config()中初始化)。是不是很方便呢，利用官方的库，我们可以很方便地开发出这一类用户函数，这就是库的魅力呀！
7.3.6 实现LED反转
在main函数中，检测到有按键被按下之后，就开始执行LED反转的操作。
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_3,
(BitAction)((1-GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_3))));
这一段代码首先调用了GPIO_ReadOutputDataBit()函数，读取PC3的当前输出电平，然后再用1减去读取得的电平数据状态，相当于获取一个也当前输出相反的状态，再把这个相反的状态利用GPIO_WriteBit()函数写入到PC3，从而实现了输出状态取反的功能。大家会发现，这实在太复杂了，我们只不过是要取反输出，在51单片机可以直接PA0=~PA0就可以完成了，而在这里使用库的时候，我们竟然要先读取状态，再计算出反状态，最后再写入新状态。能不能也像单片机那样使用呢？答案是肯定的，我们可以采用Cortex-M3的位带操作方式，实现同样的功能。
7.3.7实验现象
将野火STM32开发板供电(DC5V)，插上JLINK，将编译好的程序下载到开发板，LED1亮，按下按键时LED1灭，再按下按键时LED1灭，如此循环。

零死角玩转stm32-初级篇之KEY（Polling）

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