【導(dǎo)讀】很多人一看到這個標題，相信都會嘴角一揚，鄙視地笑了：GPIO和上下拉電阻有什么好談的，不就是一個電阻接地或者接電源嗎？學(xué)電子的第一堂課就學(xué)了。實際上，上下拉電阻這里的學(xué)問深著呢，各位要是不信，先用下面幾個實例自測一下，再決定要不要學(xué)一下。
入門題：
1)什么是開漏輸出，什么是推挽輸出？
2)芯片空余的引腳如何處理，接地？接電源？懸空？
進階題：
下圖1是PLC的輸入端口原理圖，S1是模擬開關(guān)信號輸入。軟件工程師說按鍵按下，CPU一直檢測不到低電平，一直都是高電平，一口咬定是硬件問題，實測CPU的引腳確實也是3V左右的高電平。請問是軟件問題還是硬件問題，原因是什么？（下圖R3和C1參數(shù)不能改，用于設(shè)置輸入濾波參數(shù)，限制頻率高于10HZ的抖動輸入。）
PLC產(chǎn)品的輸入端口原理圖
高級題：
下圖2是控制機柜風(fēng)扇控制電路，控制器輸出0~10V電壓，控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。目前該控制器存在這個問題：控制一上電，端口處就會輸出400mS/5V左右的脈沖，導(dǎo)致上電瞬間風(fēng)扇突然轉(zhuǎn)動，客戶不可接受，需整改。怎么解決？
圖2 ：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制原理圖
圖3 ：風(fēng)扇控制上電瞬間400mS左右的高電平輸出
骨灰題：
下圖4是一款智能電表的方案示意圖，項目組一共開發(fā)了2款電表，高端版和低端版，主板是完全一樣的，區(qū)別在于高端版帶顯示器，低端版不帶顯示器。兩款設(shè)備在做EMC的ESD測試中，低端版設(shè)備做完實驗后無法啟動，高端版則正常，請問可能的原因在哪里？
圖4 ：帶顯示功能的智能電表
一、GPIO的基礎(chǔ)知識
GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態(tài)-是高電平或是低電平。GPIO口一是個比較重要的概念，用戶可以通過GPIO口和硬件進行數(shù)據(jù)交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號（如中斷信號）等。幾乎所有的CPU、MCU都會具GPIO功能，以下是作者統(tǒng)計的GPIO的種類，幾乎囊括了所有的MCU的GPIO類型。
1) 輸入浮空：即輸入端口既不上拉也不下拉，電平由外部輸入決定；這種模式較少，一般模擬量輸入、按鍵掃描輸入使用該模式。
2) 輸入上拉：即輸入端口配置一個電阻到電源端，該電阻可以使芯片內(nèi)置，也可以是外部電阻。
3) 輸入下拉：即輸入端口配置一個電阻到地，該電阻可以使芯片內(nèi)置，也可以是外部電阻。
4) 模擬輸入：模擬量信號輸入，需要芯片內(nèi)部支持AD轉(zhuǎn)換功能才可以。
5) 開漏輸出： 漏極開路輸出(OD) 和集電極開路輸出(OC)十分相似，都是無法輸出高電平，只能輸出低電平，需要高電平時需要外接上拉電阻。
6) 推挽式輸出：推挽輸出既可以輸出高電平也可以輸出低電平，無需外配置電阻。
7) 推挽式復(fù)用功能：即推挽式輸出和輸入功能，使用時需要配置具體使用哪一種。
8) 開漏復(fù)用功能：即開漏輸出和輸入功能，使用時需要配置具體使用哪一種。
很多人看到上面一堆IO引腳的功能種類，肯定都是云里霧里的。先不急，看完下面這張“葵花寶典”，可以肯定市面上99%的CPU的GPIO功能都囊括了，拿著這張表，硬件工程師可以說服驅(qū)動工程師，驅(qū)動工程師可以忽悠軟件工程師，就可以責(zé)任清晰，和平共處了。
圖5：8種GPIO輸入輸出功能類型內(nèi)部原理框圖
二、上下拉電阻作用
1) 上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平！電阻同時起限流作用！下拉同理，下拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在低電平！電阻同時起限流作用！
2) 上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流。
3) 弱強只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴格區(qū)分。
4) 對于非集電極（或漏極）開路輸出型電路（如普通門電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。
5) 一般作單鍵觸發(fā)使用時，如果IC本身沒有內(nèi)接電阻，為了使單鍵維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài)，必須在IC外部另接一電阻。
6) 數(shù)字電路有三種狀態(tài)：高電平、低電平、和高阻狀態(tài)，有些應(yīng)用場合不希望出現(xiàn)高阻狀態(tài)，可以通過上拉電阻或下拉電阻的方式使處于穩(wěn)定狀態(tài)，具體視設(shè)計要求而定！
7) 一般說的是I/O端口，有的可以設(shè)置，有的不可以設(shè)置，有的是內(nèi)置，有的是需要外接。
8) 上拉電阻是用來解決總線驅(qū)動能力不足時提供電流的。一般說法是拉電流，下拉電阻是用來吸收電流的，也就是我們通常所說的灌電流。
9) 在I/O引腳懸空時，接電阻就是為了防止輸入端懸空，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。減弱外部電流對芯片產(chǎn)生的干擾。
10) 通過上拉或下拉來增加或減小驅(qū)動電流。
11) 上下拉電阻改變電平的電位，常用在TTL-CMOS匹配。
12) 上拉電阻可以為OC門或者OD門提供電流。
三、上拉電阻的應(yīng)用場景
1) 當(dāng)TTL電路驅(qū)動COMS電路時，若TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平值。注：此時上拉電阻連接的電壓值應(yīng)不低于CMOS電路的最低高電壓，同時又要考慮TTL電路方電流（如某端口最大輸入或輸出電流）的影響。
2) OC門或者OD門電路必須加上拉電阻，才能使用。
3) 為加大輸出引腳的驅(qū)動能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。
4) 在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻，降低輸入阻抗，提供泄荷通路。
5) 芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。
6) 長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。
7) 在數(shù)字電路中不用的輸入腳都要接固定電平，通過1k電阻接高電平或接地。
四、上拉電阻阻值選擇原則
1) 從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。
2) 從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。
3) 對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。綜合考慮以上三點,通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理。
4) 對上拉電阻和下拉電阻的選擇應(yīng)結(jié)合開關(guān)管特性和下級電路的輸入特性進行設(shè)定，主要需要考慮以下幾個因素：
a) 驅(qū)動能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例，一般地說，上拉電阻越小，驅(qū)動能力越強，但功耗越大，設(shè)計是應(yīng)注意兩者之間的均衡。
b) 下級電路的驅(qū)動需求。同樣以上拉電阻為例，當(dāng)輸出高電平時，開關(guān)管斷開，上拉電阻應(yīng)適當(dāng)選擇以能夠向下級電路提供足夠的電流。
c) 高低電平的設(shè)定。不同電路的高低電平的門檻電平會有不同，電阻應(yīng)適當(dāng)設(shè)定以確保能輸出正確的電平。以上拉電阻為例，當(dāng)輸出低電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，上拉電阻和開關(guān)管導(dǎo)通電阻分壓值應(yīng)確保在零電平門檻之下。
d) 頻率特性。以上拉電阻為例，上拉電阻和開關(guān)管漏源級之間的電容和下級電路之間的輸入電容會形成RC延遲，電阻越大，延遲越大。上拉電阻的設(shè)定應(yīng)考慮電路在這方面的需求。
5) 關(guān)于電阻的參數(shù)不能一概而定，要看電路其他參數(shù)而定，比如通常用在輸入腳上的上拉電阻如果是為了抬高峰峰值，就要參考該引腳的內(nèi)阻來定電阻值的！
6) 一般LED的電流有幾個mA就夠了，最大不超過20mA，根據(jù)這個你就應(yīng)該可以算出上拉電阻值來了。
7) 對于驅(qū)動晶體管，又分為PNP和NPN管兩種情況：
a) 對于NPN：毫無疑問NPN管是高電平有效的，因此上拉電阻的阻值用2K~20K之間的。具體的大小還要看晶體管的集電極接的是什么負載，對于LED類負載，由于發(fā)管電流很小，因此上拉電阻的阻值可以用20k的，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，由于集電極電流大，因此上拉電阻的阻值最好不要大于4.7K，有時候甚至用2K的。
b) 對于PNP管：毫無疑問PNP管是低電平有效的，因此上拉電阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基極必須串接一個1~10K的電阻，阻值的大小要看管子集電極的負載是什么，對于LED類負載，由于發(fā)光電流很小，因此基極串接的電阻的阻值可以用20k的，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，由于集電極電流大，因此基極電阻的阻值最好不要大于4.7K。
8) 對于驅(qū)動TTL集成電路，上拉電阻的阻值要用1~10K之間的，有時候電阻太大的話是拉不起來的，因此用的阻值較小。但是對于CMOS集成電路，上拉電阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，通常用100K的。
9) 關(guān)于I2C的上拉電阻：因為I2C接口的輸出端是漏極開路或集電極開路，所以必須在接口外接上拉。上拉電阻的取值和I2C總線的頻率有關(guān)，工作在standard mode時，其典型值為10K。在FAST mode時，為減少時鐘上升時間，滿足上升時間的要求，一般為1K。電阻的大小對時序有一定影響，對信號的上升時間和下降時間也有影響。總之一般情況下電壓在5V時選4.7K左右,3.3V在3.3K左右.這樣可加大驅(qū)動能力和加速邊沿的翻轉(zhuǎn)
五、GPIO及上下拉電阻實戰(zhàn)
1、進階題：無法輸入低電平問題
我們?nèi)匀灰晕氖椎膯栴}為例，入門題不舉，上述已經(jīng)有答案。看進階題。驅(qū)動工程師將GPIO的輸入配置成上拉模式（其實是出廠默認模式，驅(qū)動工程師不知道要修改。），U1關(guān)閉時，A電電平為高，U1導(dǎo)通時，A點電壓VA=5*R3/（R3+R5）=3V，依然是高電平，所以該配置無法輸入低電平。
圖6 ：PLC開關(guān)量輸入上拉配置時等效電路圖
將GPIO的輸入模式配置成下拉時，U1關(guān)閉時，A點的電壓VA=5*R5/（R3+R4+R5）=電電平為高，U1導(dǎo)通時，A點電壓VA=5*R3/（R3+R5）=2.8V，雖然是屬于高電平的，但是屬于危險區(qū)域。如果將GPIO配置成懸空模式時，U1關(guān)閉時，A點電壓VA=5V，U1導(dǎo)通時，A點電壓VA≈0.6V，為低電平，功能正確。
圖7：PLC開關(guān)量輸入下拉配置時實際等效電路圖
2、高級題：上電瞬間輸出脈沖問題
經(jīng)過與驅(qū)動工程師溝通，他沒有在驅(qū)動層配置該引腳為模擬量輸出，該引腳默認為輸入，且是內(nèi)置上拉，待cpu跑起來以后，才由應(yīng)用程序配置該引腳為模擬量輸出引腳。導(dǎo)致上電瞬間，程序沒有跑起來，由于內(nèi)置的上拉電阻原因，輸出一個400ms左右的脈沖。后來在驅(qū)動層將該引腳配置為模擬量輸出，并且禁用上拉功能，問題解決。
3、骨灰題的原因級解決辦法
其實這個EMC的問題和上下拉電阻又扯上關(guān)系了，如下圖8所示，MSP430內(nèi)部可以配置上拉或者下拉（通過熔絲的方法），阻值也可以配置，但是我們不要忽略一件事情：廠家提供的這些上下拉電阻，只能保證功能性，其上下拉電阻的封裝是相當(dāng)小的，功率是相當(dāng)小的，根本無法提供大能量的釋放通道，不然廠家也不會建議，為了防止ESD和EMI的破壞，增加外部的較小的下拉電阻。下圖8中，高端版智能電表因為外接了顯示屏，顯示屏可以提供大部分的ESD泄放通道，所以沒有損壞到MCU的端口。低端版因為沒有顯示器，所有的ESD沖擊都需要通過內(nèi)部電路泄放，內(nèi)部最脆弱的部分就首先被破壞。低端版解決的辦法就如圖9所示，增加外部的低阻抗的電阻到地，絕大部分的能量都通過下拉電阻泄放的地平面上，從而保護MCU的內(nèi)部電路。
圖8：帶顯示的智能電表等效原理圖
圖9：低阻抗電阻提供一個干擾信號的釋放通道
六、后記
GPIO引腳以及上下拉電阻，看似簡單，實際上幾乎所有的電子行業(yè)從業(yè)人員都吃過這個虧，包括硬件、驅(qū)動、軟件工程師，如果你了解內(nèi)部的原理，犯錯的幾率就會大大降低。希望本文對你有用。
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