【飛控開發基礎1】開源編隊無人機-GPIO（LED 航情燈、信號燈控制）

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——瘋殼·無人機系列

GPIO（LED 航情燈、信號燈控制）

   
    圖1

    一、LED
    1.1LED 簡介
    LED（Light Emitting Diode）即為發光二極管的縮寫。LED 是一種在生活中非常常見的照明發光器件。LED 的在我們生活中形態種類非常的多，如下圖所示。

   
    圖2                                                                                               圖3
    盡管 LED 在我們生活中形態非常地多，但這所有的 LED 在電路里均使用如下圖所示的符號來表示。

   
    圖4

    1.2LED 發光原理
    LED 最重要的一個發光結構就是燈內如綠豆大小般的燈珠。雖然它的體積很小，但它卻內有乾坤，如下圖所示為 LED 內部構造。

   
    圖5

    這個結構極其復雜，一共分為好幾層：最上層叫做 P 型半導體層、中間層為發光層、最下層叫做 N 型半導體層。
    從物理學角度來理解：當電流通過晶片時，N 型半導體內的電子與 P 型半導體內的空穴在發光層劇烈地碰撞復合產生光子，以光子的形式發出能量（即大家看見的光）。
    二、GPIO
    2.1GPIO 簡介
    GPIO(General-purpose input/output)，通用的輸入輸出的簡稱，單片機的引腳可以供使用者自由使用，可以配置為輸出，也可以配置為輸入。其中輸出又可以是輸出“高電平”或者“低電平”。在電子電路中“高電平”是電壓高的狀態， 用邏輯來表示即為 1，“低電平”是電壓低的狀態，用邏輯來表示即為 0。
    STM32F103 系列是意法半導體基于 ARM Cortex M3 內核的 32 位單片機， 飛控上用的主核心是 48 腳的 STM32F103CBT6，其引腳如下圖所示。


   
    圖6

    STM32F103CBT6 的 GPIO 的功能較多，有 A、B、C、D 等四組 GPIO，每組每個 GPIO 口都可以作為輸出輸出口使用之外， 還能作為復用引腳使用， 比如串口、I2C、SPI 等特殊接口的引腳。 但是需要注意的是每個引腳的復用功能是有限制的， 所以硬件連接時需要注意每個引腳有哪些復用功能， 這個可以在STM32F103 的數據手冊中查看。GPIO 口一共有 8 種模式，分別為：浮空輸入， 上拉輸入，下拉輸入，模擬輸入，開漏輸出，推挽輸出，推挽式復用功能，開漏式復用功能，如下表所示。
    STM32F103GPIO 工作模式

   
    圖7
    這 8 種功能我們就不一一介紹了， 有興趣可以上網搜索了解一下，這里主要講解一下開漏輸出和推挽輸出的區別。
    （1）開漏輸出：
    輸出端相當于三極管的集電極. 需要上拉電阻才能得到高電平， 利用外部上拉電阻的驅動能力，減少 IC 內部的驅動，驅動能力強，適合于做電流型的驅動， 可達到 20mA。
    （2）推挽輸出：
    可以輸出高，低電平,連接數字器件，是由兩個參數相同的三極管或 MOSFET 以推挽方式連接，各負責正負半周的波形放大任務。電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高，既提高電路的負載能力， 又提高開關速度。
    總結一下：推挽輸出可以輸出強高低電平，連接數字器件；而開漏輸出只可以輸出低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極，要得到高電平狀態需要上拉電阻才行，適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強（一般 20ma 以內）。
    2.2GPIO 相關寄存器
    STM32F103 的每個 GPIO 端口有：兩個 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL 和GPIOx_CRH)、兩個 32 位數據寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)、一個 32 位置位/復位寄存器(GPIOx_BSRR)、一個 16 位復位寄存器(GPIOx_BRR)、一個 32 位鎖定寄存器(GPIOx_LCKR)。
    （1）GPIOx_CRL 寄存器（x=A~G）

   
    圖8
    該寄存器用于配置 IO0~7 的輸入輸出模式以及速率設置。
    （2）GPIOx_CRH 寄存器（x=A~G）


   
    圖9
    該寄存器用于配置 IO8~15 的輸入輸出模式以及速率設置。
    （3）GPIOx_IDR 寄存器(x=A~G)

   
    圖10
    IDR 是 GPIO 的輸入數據寄存器。通過 IDR 寄存器可以讀出 IO 的狀態。需要注意的是 IDR 寄存器只能以字（16 位）的形式讀出。
    （4）GPIOx_ODR 寄存器(x=A~G)

   
    圖11

    ODR 是 GPIO 的輸出數據寄存器。通過 ODR 寄存器可以輸出高低電平。
    （5）GPIOx_BSRR 寄存器(x=A~G)

   
    圖12

    BSRR 是GPIO 的端口位設置/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 只有在寫入 1 的時候，相應的功能才有作用，寫入 0 是無效的。
    （6）GPIOx_BRR 寄存器(x=A~G)

   
    圖13
    BRR 是 GPIO 的端口位清除寄存器。BRR 基礎只有在寫入 1 的時候，相應的功能才有作用，寫入 0 無效。
    （7）GPIOx_LCKR 寄存器(x=A~G)

   
    圖14
    LCKR 是GPIO 的端口配置鎖定寄存器。LCKR 寄存器用來鎖定IO 口的配置， 設置后，除了復位后不能再配置 IO 的狀態。

    2.3GPIO 實驗
    本節實驗的內容是周期性點亮無人機的航情燈以及信號燈，其中航情燈在四個螺旋槳底下，而信號燈則在開關兩側。
    查看原理圖可以得知無人機的航情燈同一接在 NPN 三極管 Q1 上，而三極管的基極又接在了單片機的 PA8 上；兩個信號燈分別接在了 PC13 和 PC14 上。


   
    圖15                                                                                   圖16


   
    圖17

    編寫代碼的思路如下表所示

   
    圖18
    按照代碼思路，編寫代碼（通過調用官方庫） 如下圖所示：

   
    圖19


   
    圖20
    完成配置后只需要周期點亮以及關閉 LED 即可。

   
    圖21
    其中延時如下圖所示。

   
    圖22
    保存、編譯、下載，如下圖所示，1 為保存，2 為編譯，3 為下載。


   
    圖23
    下載代碼到飛控上，就可以看到飛控的 LED 指示燈以及四個螺旋槳下面的航情燈周期閃爍的現象了，如下圖所示。


   
    圖24




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2022-7-13 11:12 上傳

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