第三章 STM32的GPIO输入输出功能

STM32作为单片机裸机（不带操作系统）开发，其实和51单片机属于大同小异。本章节集中将STM32单片机控制小灯、蜂鸣器、继电器以及读取外部按键集中实验验证。

3.1点亮所有LED小灯

双击工程文件夹中的CubeMX图标文件，即可打开点亮小灯的工程，如图3-1所示。

图3-1 打开CubeMX工程进行编辑

找到PD13、PD14和PD15这三个引脚，鼠标单击引脚，依次分别选择GPIO_Output模式，如图3-2所示。

图3-2 配置STM32单片机引脚状态

在软件左侧列表，找到System Core下的GPIO配置界面，将默认电平设置为高电平，输出模式为推挽输出，继续给GPIO设置用户名称，如图3-3所示。

图3-3 配置STM32单片机引脚模式

单击软件右上角的GENERATE CODE按钮，更新代码，如图3-4所示。

图3-4 生成程序代码

双击打开MDK工程文件，在程序代码中添加LED1、LED2、LED3和LED4点亮程序，如下所示。

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin,
GPIO_PIN_RESET);//打开LED1-4
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

学过点亮1个小灯后，点亮4个小灯就不难理解了。这行代码依然是调用HAL库的写法，即将GPIOD的对应的4个引脚，全部设置为低电平。代码编写完成后编译程序，单击Keil软件的下载按钮，将新程序下载进Kingst32开发板中。如果出现错误提示，需要重新配置下载器，如图3-5所示。

图3-5 下载器错误提示

按下Kingst32开发板的复位按键，可以观察到，LED1到LED4全部都亮起来了。

和第一章点亮LED小灯类似，只要在CubeMX中对GPIO口起了别名，在对应的/*Private defines区域，CubeMX自动为用户生成宏定义，我将开发板的蜂鸣器，继电器的引脚全部配置好以后，生成的宏定义区域如图3-6所示。

图3-5 宏定义区域

3.2流水灯实验

各位读者是否还记得在51单片机里流水灯的程序是如何写的？

  P0 = ~(0x01 << cnt);  

在51单片机中一个P口有8个IO口，比如P0口对应的IO口是是P0.0到P0.7。而在STM32F103中一个GPIO口有16个IO口，使用时需要先指定用哪个GPIO比如GPIOD，然后选择GPIO口对应的IO口是GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15，如果选择所有的GPIO则用GPIO_PIN_ALL。在图3-5中的宏定义的程序代码中，在GPIO_PIN_12的位置，单击鼠标右键，选择“Go To Definition of‘GPIO_PIN_12’”，会找到GPIOD_PIN_0到GPIOD_PIN_15的宏定义语句，如图3-6所示和图3-7所示。

图3-6 查找定义位置

图3-7 GPIO口宏定义

从图3-7可以看出，对于HAL库的宏定义，一组GPIO有16个引脚，对应了两字节的16个位，选择哪个引脚，就是对应的哪一位是1，其余位为0。现在再看点亮4个小灯的程序语句。

HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin,GPIO_PIN_RESET);

对于所使用的HAL库函数给引脚写入数据操作，实参GPIOD代表传递的是GPIOD，实参LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin代表选择这4个引脚，即0xF000，选中了最高的4个引脚，实参GPIO_PIN_RESET代表将对应引脚输出低电平。

编写流水灯的程序如下所示：

int main(void)
{
    uint16_t LED_LeftMove_Pin = LED1_Pin;//控制LED左移变量
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin, GPIO_PIN_SET);//关闭全部

        while (1)
        {
            for(uint8_t i =0;i<4;i++)
            {
                 HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_RESET);
//点亮
                HAL_Delay(1000);
//延时1s
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_SET);
//关闭
            }
        }
    }
}

关于这段流水灯代码，有以下两点需要说明：

Kingst32开发板上有4个小灯，从PD12到PD15控制，因此流水灯的时候从GPIOD_PIN_12开始到GPIOD_PIN_15结束。
C语言中，C89标准下变量定义必须写在所有的执行程序之前，但是C99标准允许什么时候使用随时定义变量。比如程序中uint8_t i=0就是在使用时定义的。
HAL_Delay()是HAL提供的一个精确延时函数，传入的参数是延时时长，单位是ms，最大延时时长为0xFFFFFFFFms，它是通过内核定时器Systick产生的定时器中断实现的，定时精确度比较高。但是和前边51单片机delay延时类似，这个函数是阻塞的，通过等待浪费内核资源的方式达到延时的目的，只是作为演示使用。

3.3蜂鸣器和继电器

3.3.1蜂鸣器

蜂鸣器按照驱动方式分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。这里的有源和无源不是指电源，而是振荡源。有源蜂鸣器内部带了振荡源，如图3-8所示中，给了BEEP引脚一个低电平，三极管导通蜂鸣器就会直接响。而无源蜂鸣器必须给500Hz～4.5KHz之间的脉冲频率信号来驱动它才会响。

蜂鸣器经常用于电脑、打印机、万用表这些设备上做提示音使用。蜂鸣器的工作电流较大，需要使用三极管驱动。

STM32上电后复位IO口是高阻态，因此电压高低取决于外部电路。增加一个R17的下拉电阻确保上电后IO口被拉成低电平，三极管Q2不会导通。

图3-8 蜂鸣器电路图

3.3.2继电器

继电器是根据一定的信号来接通或者断开电流电路的控制元件，它具有控制系统和被控制系统。当控制系统达到一定条件时，继电器会动作，使被控制的输出电路导通或者断开。

Kingst32开发板所使用的继电器是一个5V控制系统，最大被控制电压250V的继电器。它一共有5个引脚，其中2个控制系统引脚，3个被控制系统引脚。3个被控制引脚为单刀双掷，分别为公共端，常开和常闭，如图3-9所示。

图3-9 继电器电路图

图3-9中，当单片机的ERELAY引脚为低电平时，三极管截止，继电器的控制端没有电流通过，4脚和公共端3脚接到一起；当单片机的ERELAY引脚为高电平时，三极管导通，这时候由于磁力的作用，5脚和公共端3脚吸合到一起。继电器的用法分为常开（NO，Normally Open）和常闭（NC，Normally Closed）两种方式。常开指的是继电器线圈在未通电的状态下，其触点处于断开状态。常开方式常用于在特定条件下启动某个电器设备的场景，比如声控灯，电动门禁等。常闭指的是继电器线圈在未通电的状态下，其触点处于闭合状态。常闭常用于在特定条件下断开连接的场合，比如安全监测系统，当检测到气体泄漏时，继电器激活，断开常闭点。

3.3.3蜂鸣器和继电器程序代码编写

继续对CubeMX工程配置，找到软件中的芯片引脚，将Kingst32开发板原理图上控制蜂鸣器和继电器的PB1和PE7设置为GPIO_Output模式，如图3-10所示。

图3-9 蜂鸣器和继电器引脚配置

在软件左侧列表中的System Core下的GPIO配置页面，点击打开，给PB1和PE7添加用户名称，分别为BEEP和ERELAY，再将GPIO output level默认值设置成“Low”。在原有流水灯程序基础上，让流水灯流动一次，继电器吸合1秒，蜂鸣器响0.1秒。

int main(void)
{
uint16_t LED_LeftMove_Pin = LED1_Pin;//控制LED左移变量
/**省略其他**/ 
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin, GPIO_PIN_SET);//关闭全部
    while (1)
    {
        for(uint8_t i =0;i<4;i++)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_RESET);
//点亮
            HAL_Delay(1000);//延时1s
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_SET);
//关闭
        }
    HAL_GPIO_WritePin(BUZZ_GPIO_Port, BUZZ_Pin, GPIO_PIN_SET);
//打开蜂鸣器
    HAL_Delay(100);
    HAL_GPIO_WritePin(BUZZ_GPIO_Port, BUZZ_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//关闭蜂鸣器
    HAL_GPIO_WritePin(ERELAY_GPIO_Port, ERELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
//打开继电器
    HAL_Delay(900);
    HAL_GPIO_WritePin(ERELAY_GPIO_Port, ERELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//关闭继电器
    }
}

细心的用户会发现，只要在CubeMX给引脚按照用户喜欢命名XXX后，CubeMX就会在头文件中进行宏定义，XXX_GPIO_Port代表了整个GPIOX，而XXX_Pin代表了GPIOX的某一个引脚，方便用户根据自己习惯命名编程操作。

3.4多个端口引脚控制的流水灯

3.4.1流水灯原理

在实际产品应用开发的时候，有时候受限于特定功能引脚分配或者PCB走线的约束，功能单元关联的多个GPIO口有可能离散分布于不同的Bank。比如在Kingst32开发板上有8个LED小灯，想要将其组成一个流水灯，而LED5到LED8并不和LED1到LED4接在同一组GPIO组下，并且LED5到LED8本身也是分散的，如图3-10所示。这个时候想要编写代码实现流水灯程序，该怎么办呢？

图3-10 板载LED小灯引脚分布

首先根据最原始的方式写一个流水灯程序，如下所示。

int main(void)
{
uint16_t LED1_LeftMove_Pin = LED1_Pin;//控制LED左移变量
uint16_t LED5_LeftMove_Pin = LED5_Pin;//控制LED左移变量
/**省略其他**/
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_Pin|LED2_Pin|LED3_Pin|LED4_Pin,
GPIO_PIN_SET);//关闭全部
    while (1)
    {
        for(uint8_t i =0;i<4;i++)
        {
                            HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_RESET);
//点亮
            HAL_Delay(1000);//延时1s
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED1_LeftMove_Pin<<i,GPIO_PIN_SET);
//关闭
        }
        for(uint8_t i =0;i<3;i++)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED5_LeftMove_PinLED5_LeftMove_Pin<<2*i,GPIO_PIN_RESET);//点亮
            HAL_Delay(1000);//延时1s
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED5_LeftMove_Pin<<2*i,GPIO_PIN_SET);    //关闭
        }
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED8_Pin,GPIO_PIN_RESET);//关闭
        HAL_Delay(1000);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LED8_Pin,GPIO_PIN_SET);//关闭
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZ_GPIO_Port, BUZZ_Pin, GPIO_PIN_SET);
//打开蜂鸣器
            HAL_Delay(100);
            HAL_GPIO_WritePin(BUZZ_GPIO_Port, BUZZ_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//关闭蜂鸣器
        HAL_GPIO_WritePin(ERELAY_GPIO_Port, ERELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
//打开继电器
            HAL_Delay(900);
            HAL_GPIO_WritePin(ERELAY_GPIO_Port, ERELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//关闭继电器
        }
}

将这个程序编译完成后下载进单片机就可以看到流水灯、蜂鸣器和继电器工作状态。

3.4.2流水灯代码优化

流水灯功能虽然实现了，但是代码显得不够优雅。利用结构体来尝试一个新的办法。

按下快捷键CTRL+N创建一个新的头文件，将其命名为LEDBUZ.h，保存在Core/Inc目录下，如图3-11所示。

图3-11 建立用户代码文件保存

在头文件中的代码如下所示。

#ifndef __LEDBUZ_H
#define __LEDBUZ_H
#include "main.h"

#define CODE_STEP 10
typedef struct {
GPIO_TypeDef *GPIOx;  //GPIO指针
uint16_t GPIO_Pin;  //引脚
GPIO_PinState PinStateOpen; //引脚状态
uint32_t Delay_ms;    //延时时长
}IO_Control;

void LED_Running(void);

#endif

在LEDBUZ.h头文件中构建一个结构体，第一个元素是一个指针变量，这个指针指向的元素是结构体。在GPIO_TypeDef位置点右键，选择“Go To Definition of‘GPIO_TypeDef’”，可以看到GPIO_TypeDef的结构封装在stm32f103xe.h这个头文件中，这个头文件包含了芯片的所有寄存器的定义、内存映射和基本配置。其中GPIO_TypeDef的结构成员为涉及GPIO配置相关的寄存器，如图3-12所示。

图3-12 GPIO_TypeDef类型说明

对于C语言基础比较好的用户来说这个结构体指针不难理解，对于C语言基础薄弱的用户，稍加阐述以便理解。

结构体类型除了标准的定义方式外，还可以用typedef来改写，如下所示。结构体标准方式：

Struct GPIO_TypeDef
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
}; 
Struct GPIO_TypeDef  GPIO1, GPIO2, GPIO3; //定义该结构体类型的变量
Struct GPIO_TypeDef  *GPIOX;  //定义该结构体类型的指针

结构体利用typedef改写方式（更加常用）：

typedef struct GPIO_TypeDef(结构标签推荐省略)
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;
Struct GPIO_TypeDef  GPIO1, GPIO2, GPIO3; //定义该结构体类型的变量
Struct GPIO_TypeDef  *GPIOX;  //定义该结构体类型的指针

通过查看GPIO_PinState可以得知这是个枚举体，这个枚举体一共有两个成员，一个是GPIO_PIN_RESET（0），另外一个是GPIO_PIN_SET（1），对应的就是单片机IO口的低电平和高电平。

现在再来分析IO_Control这个结构体类型成员，第一个成员是一个结构体指针，这个结构体指针指向了某一组GPIO口；第二个成员是一个uint16类型的变量，用来确定是这一组GPIO口的第几个引脚；第三个成员是一个枚举体，用来确定引脚状态；第四个成员是一个uint32类型的变量，用来确定延时时间的。

在IO_Control这个结构类型中，存储着HAL_GPIO_WritePin函数传递的参数类型和HAL_Delay函数传递参数的类型。然后使用这个结构体类型，创建了一个const（只读）的数组保存流水灯程序的每一步动作和延时时间，保存到单片机Flash中，实现更加优雅的流水灯代码。

新建一个LEDBUZ .c文件，保存到Core/Inc目录下，将流水灯主要的程序代码都写到这个文件中，在main.c文件调用一下相关函数，程序如下所示。

#include "LEDBUZ.h"

const IO_Control My_Gpio[CODE_STEP]={
{GPIOD, LED1_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOD, LED2_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOD, LED3_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOD, LED4_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOE, LED5_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOE, LED6_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOE, LED7_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{GPIOE, LED8_Pin,GPIO_PIN_RESET, 1000},
{BUZZ_GPIO_Port, BUZZ_Pin,GPIO_PIN_SET, 100},
{ERELAY_GPIO_Port, ERELAY_Pin,GPIO_PIN_SET, 900},
};

void LED_Running()
{
   for(uint8_t i =0;i<CODE_STEP;i++)
{//程序步
     HAL_GPIO_WritePin(My_Gpio[i].GPIOx,My_Gpio[i].GPIO_Pin, My_Gpio[i].PinStateOpen);//点亮
     HAL_Delay(My_Gpio[i].Delay_ms);//延时1s
     HAL_GPIO_TogglePin(My_Gpio[i].GPIOx,My_Gpio[i].GPIO_Pin);//反转电平
   }
}

函数HAL_GPIO_TogglePin是HAL库提供的对电平翻转的函数，即对某个IO口引脚取反操作，传递的参数比较函数HAL_GPIO_WritePin少了对IO口电平状态赋值。

在这段程序代码中，利用for循环语句控制程序步，通过My_Gpio数组来读取相关的数据和执行相关的操作。并且可以通过改变CODE_STEP来实现数组扩充，实现不同程序的执行效果。特别的，这种方式不受硬件IO口连接的约束。即使是序列化被拆散，IO口被分布在不同的引脚组内，利用这种方式可以对其重新排列，使得程序的执行更顺畅。

在Keil软件的左侧，找到Application/User/Core分组，直接双击它，找到LEDBUZ .c所在的位置，将其加入进去。在main.c程序代码中，添加#include "LEDBUZ.h" 语句。在main.c文件中的main主函数while（1）主循环内部，就可以直接调用LED_Running()函数了。

各位读者将程序代码完成后，编译后下载到单片机中运行一下可以看到Kingst32开发板上的代码优化后的流水灯效果。

3.5矩阵按键

3.5.1矩阵按键读取

在Kingst32开发板上，设计了一个4行4列矩阵键盘电路，根据需求连接了15个按键。在设计硬件电路时，由于STM32的引脚可以配置为内部上拉电阻，因此外部的上拉电阻可以节省掉，如图3-13所示。

图3-13 矩阵按键电路

打开CubeMX软件，在图形化界面的芯片引脚图中，依次将PD4到PD7引脚设置成输入模式，将PE3到PE6配置成输出模式，如图3-14所示。

图3-13 矩阵按键引脚配置

在软件左侧的System Core下的GPIO配置界面，将PD4到PD7设置为上拉电阻，并且自定义命名为KeyW1、KeyW2、KeyW3和KeyW4，如图3-14所示。

图3-14 矩阵按键模式配置（1）

将PE3到PE6引脚逐个修改为默认输出电平为High，最大输出速度为High，用户的名称改成KeyC1到KeyC4，如图3-15所示。

图3-15 矩阵按键模式配置（2）

通过程序轮流的将KeyC1到KeyC4拉低，读取KeyW1到KeyW4引脚电平的方式，就能够读取所有按键是否被按下，简易的演示代码如下（未消抖）。

/***
函数名：按键扫描驱动程序
功能：扫描按键是否按下
传参：无
返回值类型：uint8_t 
返回值意义：按键键值1-16 代表按键按键
**/
uint8_t keyScan()
{
uint8_t KeyNum;
uint8_t i,j;
for(i=0;i<4;i++)
{
    HAL_GPIO_WritePin(KeyC1_GPIO_Port, KeyC1_Pin<<i, GPIO_PIN_RESET);
        __NOP();
        __NOP();
        __NOP();//延时等待引脚电平稳定
    for(j=0;j<4;j++)
{
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KeyW1_GPIO_Port,KeyW1_Pin<<j)==GPIO_PIN_RESET) {
            KeyNum=j+1+4*i;
            }
        }
    HAL_GPIO_WritePin(KeyC1_GPIO_Port, KeyC1_Pin<<i, GPIO_PIN_SET);
}
return KeyNum;
}

HAL_GPIO_ReadPin为读取外部某一个引脚的HAL库函数，返回值是GPIO_PinState的枚举类型。库函数在STM32用户手册中有逐一介绍，各位读者不需要专门去学习，只需要跟随本教材逐步了解常用的，待到熟练常用的库函数后可针对性了解手册中其他部分。

3.5.2矩阵按键映射

对照keyScan函数以及Kingst32原理图可以发现，按键的数值KeyNum与开发板的按键功能不是一一对应的，比如KeyNum等于2时，对应开发板上的是‘7’这个数字按键。在《手把手教你学51单片机 C语言版》教材学习按键的章节，将按键的键值统一映射成为标准的键码，方便统一标准，维护以及和他人协同工作，这是一种方法和思路。

有的时候并非是超大型项目，或者不必要统一映射为标准的键码，还可以根据实际硬件的需求来做键码映射。这次在Kingst32开发板上的矩阵按键，采用枚举体将键盘的键值更加直白的表达出来，代码如下所示。

Key.h头文件代码：

#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
#include "main.h"
typedef enum {
KEY_NONE = 0,
KET_7=2,
KET_8,
KET_9,
KET_0,
KET_4,
KET_5,
KET_6,
KET_Down,
KET_1,
KET_2,
KET_3,
KET_Left,
KET_Ok,
KET_Right,
KET_Up,
}Key_Enum;
Key_Enum keyScan(void);
void keyAction(Key_Enum key);
#endif

Key.c代码：

#include "Key.h"
/**
函数名：按键扫描驱动程序
功能：扫描按键是否按下
传参：无
返回值类型：Key_Enum 
返回值意义：按键键值1-16 代表按键按键
*/
Key_Enum keyScan()
{
Key_Enum KeyNum;
uint8_t i,j;
for(i=0;i<4;i++){
    HAL_GPIO_WritePin(KeyC1_GPIO_Port, KeyC1_Pin<<i, GPIO_PIN_RESET);
    __NOP();
    __NOP();
    __NOP();//延时等待引脚电平稳定
    for(j=0;j<4;j++){
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KeyW1_GPIO_Port,KeyW1_Pin<<j)==GPIO_PIN_RESET){
            KeyNum =(Key_Enum)(j+1+4*i);//显式转换成枚举类型
        }
    }
    HAL_GPIO_WritePin(KeyC1_GPIO_Port, KeyC1_Pin<<i, GPIO_PIN_SET);
}
return KeyNum;
}

/***
函数名：按键执行程序
功能：根据键值执行代码
传参：Key_Enum  按键键值
返回值类型：
返回值意义：
**/
void keyAction(Key_Enum key)
{
switch (key){
    case KEY_NONE: break;
    case KET_0: break;
    case KET_1: 
        HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);//关闭LED1
        break;
    case KET_2: 
        HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);//点亮LED1
        break;
    case KET_3:break;
    case KET_4:break;
    case KET_5:break;
    case KET_6:break;
    case KET_7:break;
    case KET_8:break;
    case KET_9: break;
    case KET_Up:break;
    case KET_Down:break;
    case KET_Left: break;
    case KET_Ok: break;
    case KET_Right: break;
    default: break;
}
}

将keyAction函数放到main.c文件main主函数的while（1）主循环中，就可以实现按键按下点亮和熄灭LED1的功能。

3.5.3课后作业

矩阵按键实现花样流水灯。

3.1点亮所有LED小灯​

3.2流水灯实验​

3.3蜂鸣器和继电器​

3.3.1蜂鸣器​

3.3.2继电器​

3.3.3蜂鸣器和继电器程序代码编写​

3.4多个端口引脚控制的流水灯​

3.4.1流水灯原理​

3.4.2流水灯代码优化​

3.5矩阵按键​

3.5.1矩阵按键读取​

3.5.2矩阵按键映射​

3.5.3课后作业​