1.3. 硬件篇之IO口(视频连接)

视频连接

Input/Output简写为IO，有些地方也称为GPIO（General purpose Input Output），是单片机输入数据和输出数据的引脚或者叫接口。虽然IO口可以用作输入和输出，但在输入和输出时使用的底层电路是不一样的，比如用作输入的引脚往往配置为高阻态减少电流输入，这也是使用IO口前必须配置工作状态的原因。

有些单片机的引脚不能用作输出，但仍延续IO的叫法，如esp32的IO34、IO35、IO36、IO39。

如上图中，每个排针都有编号，如D2、D4等，这些排针的编号对应着单片机引脚的编号，控制软件通过编号控制排针的电平，这就是IO口。

宏观上讲，程序中通过编号（如2对应D2口）实例化IO口，然后对IO口的赋值操作直接映射到IO口的电平上，如下例：

from machine import Pin           #导入模块

Led = Pin(2,Pin.OUT)               #编号2对应D2口

Led.on()                         #D2输出高电平

Led.off()                         #D2输出低电平

对单片机控制，实际上就是对单片机的IO口控制，分为三种：

1.3.1. 开关量控制

单片机系统是数字系统，本质上IO口有且只有高电平、低电平两个状态，对应于于开关的ON、OFF状态，所以称为开关量。

在3.3v的单片机系统中，IO口为1对应着引脚输出高电平3.3V，IO口为0对应着引脚输出低电平0V。（严格讲：这个说法并不准确，因为高低电平是满足TTL电平的区间值，如在3.3v系统中，大于3v的都是高电平，低于0.3v的都是低电平）。

同理在5v的单片机系统中，IO口为1对应着引脚输出高电平5.0V，IO口为0对应着引脚输出低电平0V。

其他类似，不一一列举。

下图是单片机系统中LED的2种接法示意图，LED通过限流电阻接上电源，则可以点亮。LED的亮度与流经LED的电流成非线性正比，电流越大亮度越大。估算时，LED的压降按2.0v，如下式：

如，vcc=5v/R=1k时，i≈3MA。

做为指示灯，LED一般工作在1MA左右（亮度适中）。

上图中LED的两种接法，对应两种控制方式：

方式1，LED负极经由限流电阻接地，单片机IO接LED正极，IO=1时输出高电平，LED上电点亮，IO=0时输出低电平，LED两端均为低电平熄灭。LED点亮时，电流是从单片机流出的，称为拉电流。

方式2，LED负极经由限流电阻单片机IO，LED正极端接电源，IO=1时输出高电平，LED两端均为高电平熄灭，IO=0时输出低电平，LED上电点亮。LED点亮时，电流是从电源流出的，最终流向单片机，称为灌电流。

单片机对灌电流的耐受度高于拉电流，所以一般采用第二种模式。

单片机IO口能承受拉电流、灌电流的能力是有限的，过大电流会造成单片机烧毁，这个承受能力称为单片机IO口的驱动能力。

一般用于驱动LED等小功率器件没有问题，但驱动不了继电器等大功率器件。要驱动大功率器件，需要用到转换电路，如图是常用的功率转换器件--光耦的工作原理：

1.3.2. PWM模式

PWM全称脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）技术，通过调整特定频率的矩形波占空比，达到控制的目的。

PWM有两个主要参数，频率和占空比。频率反映的是IO口切换一次高、低电平的时间间隔。占空比反映的是在一次切换周期内，高、低电平的占比。

占空比的小数范围是0~1。但单片机系统对小数运算会占用更多的资源，所以往往用整形替代，比如micropython中使用0~1023的整形对应0~1的小数，相当于把0~1分成1024份，并一一对应。

直接影响是占空比的计算方式随取整区间变化，如下图所示的案例中，时间间隔t=1S对应的是频率f，f=1/t。0.75s对应的是占空比duty，在这个实验条件下duty=（（0.75*1024/t）-1）=767。

备注：占空比duty在不同的技术平台下可用赋值区间不同。

1.3.3. 模拟量控制

更进一步，在PMW输出的方波尾端增加低通滤波器，经过低通滤波后将输出一个恒定的电压值，该电压值与占空比成线性关系，这就是DAC转换。

在现有实验条件下，相当于把3.3v的高电平分成1024小段，每一段对应这一个电平。

有些单片机的特定IO口集成了DAC转换功能，设定指定的值会自动转换为对应的模拟量输出。

1.3.4. IO口编号

不同的单片机采用不同的IO口编号模式，如stm32单片机有GPIOA、GPIOB...，Esp32单片机有IO0、IO1...。

不同的编程环境也有不同的编号方式，如micropython中采用顺序编号，arduino对应stm32单片机时则采用pa0、pa1...等类似编号。

根据单片机及编程环境，选择适用的编号，则可以直接操控单片机对应的IO口。