企业官网建设流程全解析

前言

文章以STM32F103ZET6芯片为例来介绍

建议观看了上一篇文章之后，再来看这篇，直接看这篇也是可以的。

一、输入部分电路

单独抽出输入部分

MCU内部理解输入电路

✨关于输入，GPIOx 常用的输入模式一共有四种：

• 上拉输入
• 下拉输入
• 浮空输入
• 模拟输入

简化电路，这里把片上外设去掉

进一步简化电路

二、上拉与下拉电阻

• 上拉电阻 ：为特定电路提供缺省高电压
• 相对的，还有一个下拉电阻，理论和上拉电阻类似，总结一句话：为特定电路提供缺省低电压
• 唯一需要强调的是，输入这里的上拉电阻和下拉电阻，属于 MCU 内部，GPIO 模块内部自带的，和输出开漏那里的外部上拉电阻，在位置上不同，但是功能是类似的。

三、TTL 施密特触发器

常识：我们现实生活中的信息，整体其实就分为两类：

• 一类是可以量化的，状态有限的信息。如：电梯门有没有关好，汽车安全带有没有系好，共享单车有没有锁好，手机有没有调到静音，门铃有没有被摁下等等，我们把类似这种信息叫做数字信息。
• 另一类是连续可变的，随时间变化可以取无穷个值的信息。如：洗澡水的冷热，手机剩余电量，奶茶店背景音乐的音量，早高峰地铁的拥挤程度，骑自行车的快慢，吹风机出风口的风力大小等等，我们把这类信息叫做模拟信息。
• 随着人类进入了信息时代，各种计算机，单片机层出不穷，但归根结底，这些设备都是为人服务的。为了给你更好的服务，计算机 / 单片机，就必须获取人 / 世界的信息，获取你的位置信息，为你提供打车服务，获取你的搜索信息，给你提供搜索服务，获取你的体温、心跳信息，给你提供健康检查，空调获取房间温度，为你自动调节温度等等，换句话说：计算机 / 单片机，必须要能处理数字信息和模拟信息。
• 为了让你的计算机 / 单片机能处理数字信息、模拟信息，硬件工程师，科学家们发明了各种硬件电路，同时也产生了大量的知识，为了培养更多的工程师，科学家，于是所有的高校便开了两门课程《数字电路》和《模拟电路》，很明显，这两门课，是教我们在计算机世界，处理人类和世界的两种信息的：数字信息和模拟信息！

所以施密特触发器就是进行信息处理一个硬件单元。TTL 施密特触发器全称是: Transistor‑Transistor Logic Schmitt Trigger（晶体管‑晶体管逻辑施密特触发器）。它的核心作用是：

• 抗噪整形：把抖动、毛刺、斜坡等不可靠的输入波形整形成规则的方波。

所谓的方波，在硬件上是方波，在软件上就是 0 / 1，本质是数字信息

当 MCU 某一个引脚要进行输入的时候，因为外部因素的干扰，输入信息，不一定是规整的输入信息

输入的信息可能是：

如果没有 TTL 施密特触发器，那么输入信息就可能在 01 之间反复横跳：

如果存在 TTL 施密特触发器，当这类信息输入到引脚，传递到 TTL 施密特触发器，输入波形就会被整形成规则的方波，这个工作是 TTL 施密特触发器的核心作用。

TTL 施密特触发器的硬件电路内部，具有整形模块，规定出正向阈值电压 VT+，和负向阈值电压 VT‑，从而限定一个迟滞区域，要求，01 跳变，不能在一个临界值上下跳转，而是 "必须穿越区域"，才能发生跳转。下面见详细解释：

• 正负阈值电压：设定迟滞区域，确保输入必须越过 VT+ 才触发高电平，低于 VT‑ 才返回低电平，防止噪声误触发
• 迟滞区域：迟滞区域的作用是通过设定不同的切换阈值，防止输入微小波动导致输出频繁跳变，从而增强系统的稳定性。

迟滞区域的本质理解

• 输入抖动在迟滞区内时，输出保持上次状态不变，避免误跳变

如果在正向阈值电压或者负向阈值电压附近来回跳转呢？以正向阈值电压为例

在此位置跳转，只有两种情况：

• 高于正向阈值电压 VT+：就应该是高电平
• 在迟滞区域以内：输入抖动在迟滞区内时，输出保持上次状态不变，避免误跳变，你在正向阈值电压 VT + 附近进行跳转，那么最近一次状态就一定是高电平喽，继续维持高电平不变
• 负向阈值电压附近来回跳转同理

⭐结论：如果在正向阈值电压或者负向阈值附近来回跳转，维持最近状态不变。

这样就有效剔除了输入信息突变，输入信息中包含毛刺的问题，当然，这里所有的工作，全部都是在 TTL 施密特触发器内部自动完成的，使用者可以不关心。

四、上拉输入 (Pull‑up Input)

1. 上拉输入是什么？

上拉输入就是 MCU 内部配置了上拉电阻，所谓配置上拉电阻，本质就是：

• 闭合上拉电阻开关，断开下拉电阻开关

• 开关在 MCU 内部，可以通过 MCU 提供的配置寄存器选择闭合还是断开某一个开关

后续讨论，就去掉下拉部分了。

2. 上拉输入的过程

2.1输入高电平

• 当引脚输入高电平，GPIO 就收到高电平，输入数据寄存器内部就读入 1

2.2 输入低电平

• 当引脚输入低电平，GPIO 就收到低电平，输入数据寄存器内部就读入 0

❓上拉输入的时候，输入低电平，上拉电阻不会把电平拉高吗？

• 不会，本质就是谁更 "强" 的问题

• 详见下文两个根本问题

2.3 输入引脚悬空

当引脚没有接入任何设备，即和外部断开，在上拉电阻的拉动下，输入数据寄存器默认读到的就是 1，所以，上拉模式本质是提供了输入数据的缺省值

为什么上拉输入中，需要上拉电阻？

因为有了上拉输入，就可以让芯片在无外接输入时，输入数据寄存器默认读到 1，输入数据默认就是高电平（1）。

五、下拉输入 (Pull-down Input)

1. 下拉输入是什么？

下拉输入就是 MCU 内部配置了下拉电阻，所谓配置下拉电阻，本质就是：

• 闭合下拉电阻开关，断开上拉电阻开关

• 开关在 MCU 内部，可以通过 MCU 提供的配置寄存器选择闭合还是断开某一个开关

后续讨论，就去掉上拉部分了。

2. 下拉输入的过程

2.1 输入高电平

• 当引脚输入高电平，GPIO 就收到高电平，输入数据寄存器内部就读入 1

❓下拉输入的时候，输入高电平，下拉电阻不会把电平拉低吗？

• 不会，其实本质就是谁更 "强" 的问题
• 详见下文两个根本问题

2.2 输入低电平

• 当引脚输入低电平， GPIO 就收到低电平，输入数据寄存器内部就读入 0

2.3 输入引脚悬空

• 当引脚没有接入任何设备，即和外部断开，在下拉电阻的拉动下，输入数据寄存器默认读到的就是 0，所以，下拉模式本质是提供了输入数据的缺省值

因为有了输入缺省值，所以下拉输入模式下，无论输入引脚是什么情况，输入数据寄存器内部的数据是确定的

✨ 为什么下拉输入中，需要下拉电阻？

• 提供输入确定性，让缺省输入是低电平（0）

六、两个根本问题

无论是上拉，还是下拉，我们有两个问题其实并没有清楚回答：

• 上拉输入的时候，输入低电平，上拉电阻不会把电平拉高吗？
• 下拉输入的时候，输入高电平，下拉电阻不会把电平拉低吗？

这两个问题，其实原理上是同一种问题。

要理解这点，需要知道两点：

1. 无论是上拉电阻，还是下拉电阻，阻值在单片机内部，都属于高阻值器件，阻值一般都高达 30kΩ~50kΩ
2. 欧姆定律 V = I * R，在计算电压角度，计算的是对应设备在整个电路中承担的电压差，即经过该设备，电压会下降多少

解决问题一：上拉输入的时候，输入低电平，上拉电阻不会把电平拉高吗？

• 输入低电平是一种说法，在单片机内部，可以理解为就是通过接地实现引脚输入低电平的，那么其实内部上拉电阻和外部接地，就形成了一个通路
• 引脚就是导线，电阻忽略不计，那么这个通路中唯一的一个需要承压的器件就是上拉电阻！
• 那么上拉电阻两端的压差就是 VDD，等效电路如下：

上拉电阻自身承压就是位置 1‑位置 2 就是电流经过该设备对应的压降！！！

位置 1 电压 VDD

位置 2 电压 0V (低电压)

✨ 所以上拉输入的时候，输入低电平，上拉电阻不会把电平拉高吗？

• 不会，形成通路之后，位置 2 电压就是 0V，低电平，不受上拉电阻的影响

解决问题二：下拉输入的时候，输入高电平，下拉电阻不会把电平拉低吗？

• 输入高电平只是一种说法，在单片机内部，你可以理解成为就是通过接电源 VDD 实现引脚输入高电平的，那么其实内部下拉电阻和外部电源 VDD，就形成了一个通路
• 引脚就是导线，电阻忽略不计，那么这个通路中唯一的一个需要承压的器件就是下拉电阻！
• 那么下拉电阻两端的压差就是 VDD

⭐ 下拉输入的时候，输入高电平，下拉电阻不会把电平拉低吗？

• 不会，形成通路之后，位置 1 电压就是 VDD，高电平，不受下拉电阻的影响

输入上拉、输入下拉总结表

七、弱上拉弱下拉

MCU 内部的上下拉电阻之所以被称为 “弱”，是因为其阻值较大（通常在几十 kΩ），导致其提供的电流非常小，从而对外部信号的控制力比较 “弱”。

八、浮空输入 (Floating Input)

1. 浮空输入是什么？

浮空输入就是 MCU 内部配置上下拉电阻都断开，本质就是：

• 断开下拉电阻开关，断开上拉电阻开关
• 开关在 MCU 内部，可以通过 MCU 提供的配置寄存器选择闭合还是断开某一个开关

后面我们讨论的时候，就省略掉上下拉电阻了

2. 浮空输入的过程

浮空输入就是 MCU 内部没有配置上拉 和下拉电阻，可以等效如下：

⭐ 浮空输入，一共会有三种情况：

• 当引脚输入高电平，GPIO 就收到高电平，输入数据寄存器内部就读入 1
• 当引脚输入低电平，GPIO 就收到低电平，输入数据寄存器内部就读入 0
• 当引脚悬空，干扰信号经过触发器后就会变成随机的高低电平，因此浮空输入模式下电平高、低是不确定的。

电源线、人体、手机、电机、开关电源、甚至手靠近导线都会产生交变电场。

附近的 WiFi、蓝牙、对讲机、电机、继电器等会辐射高频电磁波

浮空输入，引脚断开，引脚就和一个接受天线一样，接受外部的电磁干扰。

九、模拟输入 (Analog Input)

1. 模拟输入是什么？

要谈清楚模拟输入是什么，就必须再回到之前聊的 GPIO 输入的整体结构图

先不管模拟输入中的 “模拟” 二字是什么，先从电路角度，我们可以看到，物理上，模拟输入硬件电路等效于一根导线

当然，我们不能只看到模拟输入的物理电路结构是一根导线，更要看到，模拟输入，没有用 TTL 施密特触发器，即不要给我做信号整形，我就要原汁原味。

⭐ 模拟输入理解第一层：

• 引脚外部是什么，模拟输入就获取什么

2. 模拟信号与模拟信号处理模块

• 模拟信号是什么，我们在之前的内容已经渗透过，后续章节我们会陆续展开深入研究
• 不管怎么样在 MCU 内部，一定会有专门处理模拟信号的片上外设，虽然我们不知道是什么，但是并不妨碍我们进一步完善对 MCU 内部模块构成的进一步认识

常见的未来处理模拟信号的片上外设设有：ADC，DAC 等

💡信号小知识：

模拟信号：在时间与幅度上均连续变化的物理量，物理世界本质是连续的。

数字信号：在时间与幅度上均离散化的信号，将连续的物理量量化为离散的数据量。