GPIO控制
1. 本节介绍
📝本节您将学习如何通过控制开发板的GPIO引脚，明白GPIO的输入输出，实现对板载LED灯和按键的控制。
🏆学习目标
1️⃣如何将GPIO引脚配置为输出模式，通过引脚电平来控制LED灯的亮灭变化。
2️⃣如何将GPIO引脚配置为输入模式，来检测按键是否按下或松开，去改变LED灯的亮灭。
2. GPIO的基本概念
引脚编号与功能
RP2350为由树莓派设计的双核微控制器，在软件操作上基本兼容RP2040。
RP2350分有两种封装，QFN-60 的 RP2350A，QFN-80 的 RP2350B 。开发板的主控就选型为RP2350A。
 |  |
|---|---|
关于芯片上各个信号的功能说明（单击展开）
| 信号名称 | 描述 |
|---|---|
| GPIOx | 通用数字输入和输出。可以连接内部外设或直接从软件控制。 |
| GPIOx/ADCy | 通用数字输入核输出，但是具有模数转换功能。RP2350 ADC有一个模拟多路复用器来选择这些引脚进行电压采样。 |
| QSPIx | 支持 SPI，Dual-SPI，或 Quad-SPI接口。用于连接外部的flash或PSRAM设备，作为芯片内存来支持代码执行。如果不需要作为内存访问，那么可以作为软件控制的GPIO。 |
| USB_DM and USB_DP | USB控制器，支持全速设备和全速/低速主机。每个USB引脚上需要接入27Ω的终端电阻。上拉和下拉电阻是内部提供的。如果不需要USB，那么可以作为GPIO使用。 |
| XIN and XOUT | 连接一个晶振到 RP2350 的该引脚。XIN也可以作为CMOS时钟的输入。默认使用 12 MHz 晶振 或 12MHz 时钟输入。 |
| RUN | 复位引脚。低电平芯片复位，高电平芯片正常运行。如果不需要外部控制，可以直接绑定到IOVDD。 |
| SWCLK and SWDIO | 访问内部SWD串行调试总线，用于调试访问和代码下载。 |
| GND | 接地 |
| IOVDD | 数字GPIO电源，标称电压1.8V至3.3V。 |
| USB_OTP_VDD | 内部USB全速PHY和OTP存储的电源，标称电压3.3V。 |
| ADC_AVDD | 模数转换器电源，标称电压3.3V。 |
| QSPI_IOVDD | QSPI的IO电源，标称电压1.8V至3.3V。 |
| VREG_AVDD | 芯片内部稳压器模拟电源，标称电压3.3V。 |
| VREG_PGND | 芯片内部稳压器的GND |
| VREG_LX | 芯片内部稳压器电压调节器的开关模式输出，连接到外部电感。最大电流 200mA，滤波后标称电压1.1V。 |
| VREG_VIN | 芯片内部稳压器电压调节器的电源输入，标称电压2.7V至5.5V。 |
| VREG_FB | 芯片内部稳压器电压调节器的电压反馈，连接到滤波后的 VREG 输出（例如用于供应DVDD）。 |
| DVDD | 数字核心电源，标称电压1.1V。必须外部连接，无论是电压调整器输出或外部板级电源。 |
关于芯片的引脚介绍就到这里。我们主要了解如何使用开发板上的GPIO。
开发板的引脚功能示意图如下:
引出的GPIO一共有25个。
还有一个 GPIO25 接到板载的绿色LED灯。
输入/输出模式
GPIO 输入模式
当 GPIO 引脚被配置为输入模式时，它可以读取外部信号的状态，通常是高电平或低电平。 这种模式常用于以下场景：
- 读取开关/按钮状态：例如，检测一个按钮是否被按下。
- 接收信号：从其他设备（如传感器、其他微控制器）接收数字信号。
- 中断触发：配置为输入的 GPIO 引脚可以用于触发中断，响应外部事件。
在输入模式下，GPIO 引脚通常具有
高阻态，以防止对连接的设备造成影响。
GPIO 输出模式
当 GPIO引 脚被配置为输出模式时，它可以输出高电平或低电平，用于控制外部设备。 这种模式常用于以下场景：
- 驱动LED：通过输出高电平或低电平来控制LED的亮灭。
- 控制继电器：通过输出信号来控制继电器的开关。
- 通信：在诸如I2C、SPI等通信协议中，GPIO引脚用于输出时钟信号或数据。
在输出模式下，GPIO 引脚可以提供一定的驱动能力，以驱动外部负载。
高电平与低电平
高电平与低电平是数字电路中的基本概念，用于表示电路中的两种不同的电压状态，这两种状态通常用于表示二进制数据中的 1 和 0 。
高电平（High Level / 1）
- 定义：在数字电路中，高电平通常表示一种较高的电压状态。
- 电压范围：具体的电压范围取决于所使用的逻辑电路标准。在RP2350A中，IO电平IOVDD接入的是3.3V，那么输出的高电平就是IOVDD。
- 表示：在数字逻辑中，高电平通常表示 “1” 或 “真（True）” 状态。
低电平（Low Level / 0）
- 定义：与高电平相对，低电平表示一种较低的电压状态。
- 电压范围：同样，具体的电压范围取决于逻辑电路标准。在RP2350A中，低电平是接近 地 电位的值（如0V）。
- 表示：在数字逻辑中，低电平通常表示 “0” 或 “假（false）” 状态。
注意事项
- 不同的电子设备可能使用不同的电平标准，因此在连接不同设备时需要确保电平兼容。比如芯片的IO是3.3V，当它需要接入到5V的传感器时，就需要考虑电平兼容问题。但是在RP2350A中，除了带有ADC功能的引脚外，其他的GPIO都兼容5V电平。
- 在实际电路中，由于噪声的存在，高电平和低电平之间需要有一定的电压差（称为噪声容限）来确保电路的稳定工作。
3. GPIO电气特性
省流总结
除 GPIO26\27\28\29 外，其他 GPIO 的最大输入电压为 5.5V，GPIO26\27\28\29 最大输入电压为 3.3+0.5V。
全部 GPIO 最大的总输出电流之和为 100 mA； 全部 GPIO 最大的总输入电流之和为 100mA。
引出的全部 GPIO 在复位\上电后默认为 低电平状态。
最大电流与电压
电压信号说明
Voltage at IO(FT) 表示的是容忍GPIO。在RP2350A中，除了带有ADC功能的引脚外，其他的GPIO都有容忍功能。
电流信号说明
Maximum Total IOVDD current IOVDD的最大总输出电流。由GPIO引脚提供的所有电流之和。
Maximum Total VSS current due to GPIO(IOVSS) GPIO产生的最大总电流。所有注入GPIO引脚的电流之和。
GPIO的默认状态
| GPIO名称 | QFN-60 引脚号 | QFN-80 引脚号 | 引脚类型 | 电源领域 | 复位状态 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| GPIO0 | 2 | 77 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO1 | 3 | 78 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO2 | 4 | 79 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO3 | 5 | 80 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO4 | 7 | 1 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO5 | 8 | 2 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO6 | 9 | 3 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO7 | 10 | 4 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO8 | 12 | 6 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO9 | 13 | 7 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO10 | 14 | 8 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO11 | 15 | 9 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO12 | 16 | 11 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO13 | 17 | 12 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO14 | 18 | 13 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO15 | 19 | 14 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO16 | 27 | 16 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO17 | 28 | 17 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO18 | 29 | 18 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO19 | 31 | 19 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO20 | 32 | 20 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO21 | 33 | 21 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO22 | 34 | 22 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO23 | 35 | 23 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO24 | 36 | 25 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO25 | 37 | 26 | Digital IO (FT) | IOVDD | Pull-Down | User IO |
| GPIO26_ADC0 | 40 | - | Digital IO / Analogue | IOVDD / ADC_AVDD | Pull-Down | User IO or ADC input |
| GPIO27_ADC1 | 41 | - | Digital IO / Analogue | IOVDD / ADC_AVDD | Pull-Down | User IO or ADC input |
| GPIO28_ADC2 | 42 | - | Digital IO / Analogue | IOVDD / ADC_AVDD | Pull-Down | User IO or ADC input |
| GPIO29_ADC3 | 43 | - | Digital IO / Analogue | IOVDD / ADC_AVDD | Pull-Down | User IO or ADC input |
其他引脚内容说明请参考RP2350数据手册的 14.8.2. Pin Definitions 章节内容。
4. GPIO 使用指南
使用machine.Pin
machine.Pin 类是 MicroPython 中用于控制输入/输出引脚的核心模块。通过该模块，我们可以轻松地管理微控制器上的 GPIO 引脚，进行基础的输入输出操作。
要使用 machine.Pin，首先需要导入该模块：
from machine import Pin构造函数
pin = machine.Pin(id, mode=- 1, pull=- 1, *, value, drive, alt)用于构造pin对象，可同时对引脚进行初始化。
参数说明
id: 要控制的引脚编号，例如GPIO1就填入1，GPIO12就填入12。mode: 引脚的模式，支持输入模式Pin.IN、输出模式Pin.OUT和 开漏输出模式Pin.OPEN_DRAIN。pull: 内部上下拉电阻的配置 （可不配置），Pin.PULL_UP为开启上拉电阻，Pin.PULL_DOWN为开启下拉电阻，默认为不使用内部上下拉电阻None。value: 仅对输出和开漏输出模式有效，如果给定，则指定初始输出引脚电平，否则引脚外设的状态保持不变。drive: 驱动能力配置 （可不配置），可以是以下之一：Pin.LOW_POWER,Pin.MED_POWER或Pin.HIGH_POWER。实际的当前驱动能力取决于端口。并非所有端口都实现此参数。
上下拉电阻是什么❓
- 上拉电阻：将信号的输出端通过一个电阻让其保持在一个高电平的状态；
- 下拉电阻：将信号的输出端通过一个电阻让其保持在一个低电平的状态；
示例：
# 实例化GPIO25为输出,其他设置为默认
pin = Pin(25, Pin.OUT)方法总结
重新初始化引脚配置
Pin.init(mode=- 1, pull=- 1, *, value, drive, alt)使用给定的参数重新初始化引脚。只会设置那些指定的参数。其余引脚外设状态将保持不变。
例如引脚原本是设置为输出模式，则可以通过该方法 Pin.init 设置为输入模式。
有关参数的详细信息，请参阅构造函数小节的参数说明。
设置和获取引脚高低电平状态
Pin.value([x])此方法允许设置和获取引脚的值，具体取决于是否x提供参数。
例如
Pin.value(1)则表示是输出高电平，Pin.value(0)则表示是输出低电平；state = Pin.value()则表示获取该 Pin 的引脚状态赋值给 state。
输出高电平
Pin.on()将引脚设置为 “1” 输出电平。
输出低电平
Pin.off()将引脚设置为“0”输出电平。
设置引脚中断
Pin.irq(handler=None, trigger=Pin.IRQ_FALLING | Pin.IRQ_RISING, *, priority=1, wake=None, hard=False)配置在引脚的触发源处于活动状态时要调用的中断处理程序。如果引脚模式为 Pin.IN 则触发源为引脚上的外部值。如果引脚模式为 Pin.OUT 则触发源为引脚的输出缓冲器。否则，如果引脚模式是 Pin.OPEN_DRAIN 则触发源是状态“0”的输出缓冲器和状态“1”的外部引脚值。
参数说明：
| 参数 | 说明 | 可选值 |
|---|---|---|
handler | 中断触发时要调用的可选函数。处理程序必须只采用一个参数，即 Pin实例。 | 函数名 |
trigger | 配置可以产生中断的事件。（值可以通过“或”运算来触发多个事件） | Pin.IRQ_FALLING 下降沿中断 Pin.IRQ_RISING 上升沿中断 Pin.IRQ_LOW_LEVEL 低电平中断 Pin.IRQ_HIGH_LEVEL 高电平中断 |
priority | 设置中断的优先级。更高的值总是代表更高的优先级。 | 整数值 |
wake | 选择此中断可以唤醒系统的电源模式。也可以将这些值进行“或”运算，使一个引脚在一种以上的电源模式下产生中断。 | machine.IDLE, machine.SLEEP, machine.DEEPSLEEP |
hard | 如果为真，则使用硬件中断。这减少了引脚更改和被调用的处理程序之间的延迟。硬中断处理程序可能不分配内存；请参阅 编写中断处理程序。并非所有端口都支持此参数。 | True, False |
此方法返回一个回调对象。
5. GPIO控制实验
🏆实验目标
1️⃣将 GPIO25 引脚配置为输出模式，通过引脚电平来控制LED灯的亮灭变化。
2️⃣将 GPIO引脚配置为输入模式，来检测按键是否按下或松开，去改变LED灯的亮灭。
了解硬件
LED灯的驱动
开发板上自带了一个可用户控制的绿色LED。
LED 灯驱动原理(点击展开)
LED 驱动指的是通过稳定的电源为 LED 提供合适的电流和电压，使其正常工作点亮。
LED 驱动方式主要有恒流和恒压两种。限定电流的恒流驱动是最常见的方式，因为 LED 灯对电流敏感，电流大于其额定值可能导致损坏。恒流驱动保证了稳定的电流，从而确保了 LED 安全。
LED 灯的驱动比较简单，只需要给将对应的正负极接到单片机的GPIO即可驱动。
LED的接法也分有两种，灌入电流和输出电流。
灌入电流指的是LED的供电电流是由外部提供电流，将电流灌入我们的MCU；风险是当外部电源出现变化时，会导致MCU的引脚烧坏。
输出电流指的是由MCU提供电压电流，将电流输出给LED；如果使用 MCU的GPIO 直接驱动 LED，则驱动能力较弱，可能无法提供足够的电流驱动 LED（我们只是一个简单的LED没有事，如果用的大功率灯珠可能就不行了）。
需要注意的 是 LED 灯的颜色不同，对应的电压也不同。电流不可过大，通常需要接入220欧姆到10K欧姆左右的限流电阻，限流电阻的阻值越大，LED的亮度越暗。
在开发板的原理图中，LED的正极接入限流电阻R1再到GPIO25引脚，负极接入到GND。通过LED灯的驱动原理可以知道，我们只要控制开发板的GPIO25引脚输出高电平，即可点亮LED。
按键驱动
独立按键原理主要是基于机械触点和电气触点之间的关系。当按键未被按下时，通常触点是分开的，电路是断开的。当用户按下按键时，触点在弹簧和导电片的作用下形成闭合，这时电路连通，微控制器能够读取到该按键触发的信号。
独立按键驱动是为了让微控制器能识别按键的状态，而微控制器正好可以识别高电平和低电平，所以大多数的按键都是通过给按键的一端接入高电平，一端接入GPIO；或者是给按键的一端接入低电平，一端接入GPIO。通过检测连接按键的引脚有没有发生电平变化，就可以知道按键是否按下。
遗憾的是开发板上的两个按键都没有接入到GPIO，所以不能用于实验。需要我们自己外部搭建按键电路。
接线图
实物图
在以上电路中，我们只要控制开发板的GPIO17引脚为带有内部上拉电阻的输入模式，当按键被按下时GPIO17被按键导通到GND变成低电平；当按键没有按下时GPIO17为默认状态，而因为我们开启了内部上拉电阻，故默认状态变成了高电平。
按下为低电平，未按下为高电平。
代码验证
代码目标
将 GPIO25 引脚配置为输出模式，通过引脚电平来控制LED灯的亮灭变化。
import machine
# 初始化 GPIO25 引脚为输出模式
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.value(1) # 点亮LED
# led.value(0) # 熄灭LED将以上代码运行，将会看到开发板上的LED被点亮。
在烧录代码验证前，请确保你已经按照 环境搭建 章节的内容，将MicroPython 固件烧录到开发板中。不然将无法下载代码。
代码目标
将 GPIO17 引脚配置为输入模式，来检测按键是否按下或松开，去改变LED灯的亮灭。
from machine import Pin
# 初始化 GPIO25 引脚为输出模式
led = machine.Pin(25, Pin.OUT)
# 初始化 GPIO17 引脚为上拉输入模式
key = machine.Pin(17, Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP)
while(True):
#如果按键引脚返回的是False
#表示按键被按下 引脚接通到了GND 变成了低电平
if key.value() == False:
led.value(1) # 点亮LED
else:
led.value(0) # 熄灭LED将以上代码运行，按下按键将会看到开发板上的LED被点亮；松开按键开发板上的LED将会熄灭。
在烧录代码验证前，请确保你已经按照 环境搭建 章节的内容，将MicroPython 固件烧录到开发板中。不然将无法下载代码。