可編程數(shù)字輸入和輸出詳解

數(shù)字型輸入/輸出外設(shè)僅有兩種有效狀態(tài)，習(xí)慣用On和Off、High和Low、打開和關(guān)閉、接通和斷開等表示兩種有效狀態(tài)，譬如一個繼電器觸點的接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)、 一顆指示燈的on狀態(tài)和off狀態(tài)等。存儲一個數(shù)字型輸入/輸出外設(shè)的狀態(tài)信息僅需要一個二進制位。絕大多數(shù)MCU的可編程I/O引腳都可編程輸出高電平和低電平， 這樣的I/O引腳電平狀態(tài)與相應(yīng)接口電路即可控制數(shù)字型輸出外設(shè)的狀態(tài)，因此在MCU內(nèi)部使用二進制位的“1”和“0”分別表示數(shù)字型輸出外設(shè)的狀態(tài)。 同時，通過讀取MCU的I/O引腳的電平即可獲取數(shù)字型輸入外設(shè)的狀態(tài)，并使用布爾型(Boolean)變量保存該狀態(tài)。

很多編程語言都支持布爾型變量，尤其支持嵌入式系統(tǒng)的編程語言，譬如C/C++語言。雖然布爾型變量的有效值僅為“1”和“0”，如果目標(biāo)計算機系統(tǒng)不支持位操作和位尋址， 布爾型變量仍占用一個字節(jié)或更多二進制位來存儲一個二進制信息?，F(xiàn)在的MCU絕大多數(shù)都支持位操作和位尋址，譬如ARM Cortex-M系列微內(nèi)核支持“bit-band”操作， 允許存取指令訪問單個數(shù)據(jù)位(詳見 [1]_ 的6.7節(jié))。

按鈕和LED指示燈是最簡單的數(shù)字型輸入和輸出外設(shè)，圖4.1給出BlueFi上的按鈕和LED指示燈的電路連接示意圖。

圖4.1 BlueFi上的按鈕和LED指示燈的電路連接示意圖

從上圖中，我們不僅能夠了解數(shù)字型輸入/輸出信號的電平電壓、驅(qū)動電流、頻率和復(fù)位期間的默認(rèn)狀態(tài)，還能了解如何讀取數(shù)字型輸入外設(shè)的狀態(tài)到內(nèi)部變量， 以及如何通過寫外設(shè)存儲區(qū)的地址單元來控制數(shù)字型輸出狀態(tài)。

BlueFi的主MCU(nRF52840)的外部復(fù)位信號的有效電平為低電平(詳見nRF52840的產(chǎn)品說明文檔 [2]_ )，且內(nèi)部帶有上電復(fù)位(即冷復(fù)位)電路(圖中黃色的電阻和電容)， 圖4.1給出最簡單的外部復(fù)位電路：一個手動復(fù)位按鈕，一端接地，另一端與“nRST”引腳連接。內(nèi)部上電復(fù)位電路的電阻與MCU的工作電源連接，當(dāng)外部手動復(fù)位按鈕未被按下時保持復(fù)位引腳狀態(tài)為高電平， 這個電平的電壓顯然與MCU的工作電壓相等；當(dāng)按下手動復(fù)位按鈕時復(fù)位引腳的狀態(tài)為低電平，這個電平的電壓與電源地相同。當(dāng)我們需要給nRF52840復(fù)位時，只需要按下復(fù)位按鈕即可。 按下按鈕時從“nRST”引腳強制施加低電平信號給MCU內(nèi)核的內(nèi)部復(fù)位電路單元將片上所有功能單元(含CPU)復(fù)位，當(dāng)我們釋放手動復(fù)位按鈕后，片上的上電復(fù)位電路確?！皀RST”引腳處于高電平， CPU開始工作。我們在第2.7節(jié)已經(jīng)了解到MCU的多種復(fù)位源，在復(fù)位期間，nRF52840內(nèi)部的“RESETREAS”寄存器(0x4000 0400地址單元)將保存本次復(fù)位的信號源， 應(yīng)用程序可以根據(jù)這個寄存器的內(nèi)容來識別復(fù)位源。單按一次BlueFi的復(fù)位按鈕是正常的系統(tǒng)復(fù)位，而連續(xù)雙擊BlueFi的復(fù)位按鈕，你會發(fā)現(xiàn)BlueFi進入Bootloader狀態(tài)。 這個功能是使用“RESETREAS”寄存器的內(nèi)容。

BlueFi的A和B按鈕是可編程的，兩個按鈕的電路連接完全相似(除了使用不同的I/O引腳)，圖4.1中僅給出A按鈕的電路連接。A按鈕的接口電路不僅包含片外的按鈕， 還包含片內(nèi)的可配置上拉/下拉電阻，由于A按鈕的一端與MCU工作電源連接、另一端與P1.7引腳連接，當(dāng)A按鈕按下時P1.7引腳被強制與電源連接；如果P1.7的內(nèi)部配置為下拉電阻， 當(dāng)A按鈕釋放時P1.7引腳被下拉到電源地。通過讀取P1.7引腳的狀態(tài)確定A按鈕的狀態(tài)，當(dāng)A按鈕按下時讀取狀態(tài)的結(jié)果為“1”(即高電平)，當(dāng)A按鈕釋放時讀取狀態(tài)的結(jié)果為“0”(即低電平)。 當(dāng)我們將A按鈕的狀態(tài)保存到一個布爾型變量時，如果不采用DMA(直接存儲器訪問)方式，nRF52840的CPU的工作過程為：將P1.IN寄存器(即0x5000 0810地址單元)讀入CPU內(nèi)部某個寄存器， 然后再將D7位的值(即P1.7引腳的狀態(tài))保存到布爾型變量(即“Bit_Band”區(qū)的某個地址單元)。

對于P1.7內(nèi)部可配置的上拉/下拉電阻的使用，需要在BlueFi初始化期間根據(jù)A按鈕的電路進行編程配置。按照圖4.1，使用Arduino IDE平臺，A按鈕的初始化和使用代碼參考如下：

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(PIN_BUTTON1, INPUT_PULLDOWN);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  bool state_aBtn = digitalRead(PIN_BUTTON1);
  if (state_aBtn == HIGH) {
    // A button be pressed
  } else {
    // A button be released
  }
}

第3行代碼是調(diào)用Arduino內(nèi)部函數(shù)“pinMode(PIN_BUTTON1, INPUT_PULLDOWN)”將P1.7引腳(即與A按鈕連接的I/O引腳)配置為輸入模式且使用內(nèi)部下拉電阻。在Arduin IDE平臺， 有三種輸入配置：浮空輸入(INPUT)、上拉輸入(INPUT_PULLUP)和下拉輸入(INPUT_PULLDOWN)。第8行調(diào)用Arduino內(nèi)部函數(shù)“digitalRead(PIN_BUTTON1)”讀取A按鈕的狀態(tài)， 由于按鈕的狀態(tài)為二進制型信息，所以將A按鈕的當(dāng)前狀態(tài)暫存在布爾型變量“state_aBtn”中。根據(jù)圖4.1的電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)A按鈕被按下時布爾型變量“state_aBtn”的值為“true”或“HIGH”。 注意，“HIGH”是Arduino平臺的布爾型常量，“true”是C/C++編程語言的標(biāo)準(zhǔn)常量。

BlueFi有兩顆亮起時顏色分別為紅色和白色的LED指示燈，他們的連接電路如圖4.1所示，兩顆LED分別受P1.12和P1.14引腳控制。當(dāng)程序?qū)1.OUT寄存器(即0x5000 0804地址單元) 的D12位置位時，P1.12引腳將輸“1”(即高電平)，紅色LED指示燈將亮起；當(dāng)程序?qū)1.OUT寄存器的D12位清零時，P1.12引腳輸入“0”(即低電平)，紅色LED指示燈將熄滅。 BlueFi與其他數(shù)字電路采用相同的設(shè)計習(xí)慣，I/O引腳為高電平時對應(yīng)的電壓等于MCU的I/O工作電壓，低電平對應(yīng)的電壓等于電源地，按照前一章的BlueFi電路原理介紹， nRF52840使用3.3V作為I/O引腳電壓。根據(jù)紅色LED的正向壓降、串聯(lián)電阻的阻值和高電平的電壓，我們可以計算出紅色LED亮起時的電流(簡稱on電流)，這個電流的大小決定指示燈的亮度。

根據(jù)A按鈕的狀態(tài)控制紅色LED指示燈亮和滅的代碼如下：

oid setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(PIN_BUTTON1, INPUT_PULLDOWN);
  pinMode(LED_RED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  bool state_aBtn = digitalRead(PIN_BUTTON1);
  if (state_aBtn == HIGH) {
    // A button be pressed
    digitalWrite(LED_RED, HIGH);
  } else {
    // A button be released
    digitalWrite(LED_RED, LOW);
  }
}

按照“..Arduino15packagesadafruithardwarenrf520.20.5variantsbluefi_nrf52840variant.h“頭文件中對BlueFi的I/O引腳用法的定義， 只需要將上述代碼中的“LED_RED”引腳名稱替換為“LED_WHITE”，然后編譯并下載修改后的代碼到BlueFi，可以使用A按鈕控制白色LED的亮和滅。

與紅色LED相比，你也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)BlueFi的白色LED更亮一些。這說明，白色LED指示燈on電流大于紅色LED。如果使用I/O引腳輸出的高電平電壓直接驅(qū)動LED，并不斷地減小LED的串聯(lián)電阻阻值， LED的亮度將會不斷地增加嗎？如果假設(shè)I/O引腳輸出的高電平電壓是理想的(即內(nèi)阻為0且功率足夠大)，這個問題的答案是肯定的。事實上，所有MCU的I/O引腳的驅(qū)動能力都是有限的， 按拉電流和灌電流兩種指標(biāo)分別指定每一個I/O引腳的驅(qū)動能力。當(dāng)I/O引腳的驅(qū)動能力無法滿足LED指示燈on電流時，我們自然會想到外部驅(qū)動，如圖4.1中使用外部NPN三極管驅(qū)動白色LED指示燈， 此時I/O引腳輸出的拉電流被三極管放大數(shù)十倍(即三極管的放大倍數(shù))作為白色LED指示燈on電流。當(dāng)外部數(shù)字型輸出外設(shè)需要更大的負(fù)載電流時，或許需要多級結(jié)構(gòu)(如達林頓結(jié)構(gòu))的三極管提高放大倍數(shù)。

對于MCU的可編程I/O引腳，除了可配置的上拉/下拉電阻、可編程為輸入/輸出模式等，還有更多可配置的結(jié)構(gòu)。以nRF52840為例，我們需要進一步了解其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如圖4.2所示。

圖4.2 nRF52840可編程I/O引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在上圖中，我們可以找到一個可編程輸入/輸出引腳的所有配置選項、輸入通道、輸出通道等。除了數(shù)字I/O功能之外，一個可編程輸入/輸出引腳也可以當(dāng)作模擬I/O功能引腳使用， 圖4.2中的“ANAEN”是編程配置一個引腳當(dāng)作數(shù)字I/O或模擬I/O的控制位。關(guān)于模擬輸入/輸出的功能，詳見下一節(jié)。在nRF52840的手冊中，我們可以找到每一個可編程輸入/輸出引腳的 配置和控制相關(guān)的存儲器地址和有效的控制位，“pinMode(pin,mode)”、“digitalRead(pin)”和“digitalWrite(pin,value)”等基本數(shù)字型I/O接口都是通過編程這些存儲單元而實現(xiàn)的。

已經(jīng)了解數(shù)字型I/O的電路和軟件接口之后，我們可以接著第3章最后一節(jié)的任務(wù)：為BlueFi設(shè)計BSP，現(xiàn)在只涉及BlueFi的數(shù)字I/O相關(guān)的部分，即兩個輸入按鈕和兩個LED指示燈的BSP。 如果你是BlueFi的二次開發(fā)(編程應(yīng)用)用戶，你將會如何使用按鈕和LED指示燈呢？BSP的目的是根據(jù)特定硬件電路封裝API并加快二次用戶開發(fā)的工作效率，譬如BlueFi的兩個按鈕的配置 (需根據(jù)按鈕的電路結(jié)構(gòu))等，用戶只需調(diào)用BSP封裝的API即可得到“按鈕被按下/釋放/長按“，或直接控制“紅色LED亮/滅/切換”等。

為了了解BSP的基本結(jié)構(gòu)，我們首先來實現(xiàn)LED控制的API

審核編輯：符乾江