任务4 信号灯的设计与实现

本任务重点学习微处理器的通用输入/输出接口（GPIO），以及GPIO的位操作，掌握GPIO的基本原理和功能，以及使用C语言驱动CC2530的GPIO的方法，从而实现对信号灯的控制。

4.1 开发场景：如何控制信号灯

当常见的自动化设备具备多种功能时，往往会用不同的信号指示灯（信号灯）来表示系统的功能和工作状态，图4.1所示的安防设备控制器上具有电源、报警、设置、电话4个系统指示灯，通过这4个LED指示灯，用户可以方便、直观地设置与管理设备。

图4.1 安防设备控制器上的系统指示灯

4.2 开发目标

（1）知识目标：了解GPIO基本概念、电路驱动和工作模式；熟悉CC2530微处理器GPIO基本构成；掌握利用位操作实现CC2530微处理器GPIO基本操作。

（2）技能目标：会设置CC2530微处理器GPIO的工作模式；掌握基于CC2530微处理器GPIO基本驱动方法；实现基于CC2530微处理器的信号灯驱动开发。

（3）任务目标：使用CC2530微处理器上的发光二极管（LED）模拟信号指示灯，先检测连接在CC2530微处理器GPIO引脚上按键电平状态并识别其开关状态，然后根据检测结果读取LED指示灯的状态并进行实时控制，LED状态（亮或者灭）可以表示设备的功能和工作状态。

4.3 原理学习：微处理器的GPIO功能与应用

4.3.1 微处理器GPIO

1．微处理器GPIO基本概念

GPIO（General Purpose Input Output, GPIO）是微处理器的通用输入/输出接口。微处理器可以通过向GPIO控制寄存器写入数据来控制GPIO的模式，实现对某些设备的控制或信号采集功能；也可以对GPIO进行组合配置，实现较为复杂的总线控制接口和串行通信接口。下面将通过GPIO的电气属性与基本工作模式来对GPIO进行讲解。

2．微处理器GPIO电路驱动

GPIO电路可分为很多种，GPIO电路不同，效果也不同。根据GPIO电路的区别，可将电路分为弱驱动GPIO、强驱动GPIO、高压GPIO、低压GPIO，同时电压与驱动能力可以相互组合。

（1）弱驱动GPIO。弱驱动电路指GPIO引脚输出的电流较小，无法对相关的控制设备提供足够的驱动电流，因此电路在设计时需要额外添加上拉电阻以提高GPIO的驱动能力。例如，CC2530微处理器中除了P1_0、P1_1为强驱动，其他引脚驱动能力均无法满足LED驱动的需要，因此需要通过添加额外的电路以达到控制外接设备的目的。

（2）强驱动GPIO。顾名思义，强驱动GPIO是指驱动能力较强的GPIO。通常情况下，当输入与芯片电源相同的电压时，强驱动GPIO可以驱动功率更大的外接设备。例如，STM32系列微处理器基本上都属于强驱动GPIO。

（3）高压GPIO与低压GPIO。目前微处理器GPIO输出电压有两种，一种为早期传统8051微处理器的5 V的GPIO，另一种为通用型的3.3 V的GPIO。5 V的GPIO接口是由于微处理器输入电压为5 V，因此微处理器引脚输出的电平同样为5 V；而低压GPIO的芯片的输入电源为3.3 V，因此微处理器引脚输出的电平为3.3 V。高压GPIO与低压GPIO相比，低压GPIO的工艺更加先进，引脚的开关效率也更高，可以满足高速总线的引脚电平跳变需求，因此高性能微处理器的GPIO引脚通常为低压GPIO。

3．微处理器GPIO工作模式

GPIO在工作时有三种工作模式，即输入、输出和高阻态，这三种状态的使用和功能都有所不同，在设置时需要根据实际的外接设备来对引脚进行配置。下面对GPIO的这三种状态进行简单的叙述。

（1）输入模式。输入模式是指GPIO被配置为接收外接电平信息的模式，通常读取的信息为电平信息，即高电平为1，低电平为0。这时读取的高低电平是根据微处理器的电源高低来划分的，相对于5 V电源的微处理器，判断为高电平时的检测电压为3.3～5 V；小于2 V时则微处理器判断为低电平。相对于3.3 V电源的微处理器，判断为高电平时的检测电压为2～3.3 V；小于0.8 V时则微处理器判断为低电平。

（2）输出模式。输出模式是指GPIO被配置为主动向外部输出电压的模式，通过向外输出电压可以实现对一般开关类设备的实时主动控制。当程序中向相应引脚写1时，GPIO会向外输出高电平，通常这个电平为微处理器的电源电压；当程序中向相应引脚写0时，GPIO会向外输出低电平，通常这个低电平为电源地的电压。

（3）高阻态模式。高阻态模式是指GPIO引脚内部电阻的阻值无限大，大到几乎占有外接输出的全部电压。这种模式通常在微处理器采集外部模拟电压时使用，通过将相应GPIO引脚配置为高阻态模式和输入模式，通过配合微处理器的ADC可以实现准确的模拟量电平读取。

4.3.2 CC2530与GPIO

1．CC2530的GPIO

微处理器的GPIO引脚可以组成3个8位端口，即端口0、端口1和端口2，分别表示为P0、P1和P2，其中P0和P1是8位端口，而P2只有5位可用，所有端口均可以通过SFR寄存器来进行P0、P1、P2位寻址和字节寻址。

寄存器PxSEL中的x表示端口标号0～2，用来设置端口的每个引脚为GPIO或者外部设备I/O信号，在默认情况下，当复位之后，所有数字输入/输出引脚都设置为通用输入引脚。

寄存器PxDIR用来改变一个端口引脚的方向，可设置为输入或输出，设置PxDIR的指定位为1时，对应的引脚口则为输出；设置为0时，对应的引脚口则为输入。

当读取寄存器P0、P1和P2的值时，不管引脚如何配置，输入引脚的逻辑值都被返回，但在执行读-修改-写期间不适用。当读取的是寄存器P0、P1和P2中一个独立位时，寄存器的值（而不是引脚上的值）可以被读取、修改并写回端口寄存器。CC2530引脚分布如图4.2所示。

图4.2 CC2530引脚分布

2．CC2530的GPIO寄存器

CC2530微处理器内核为增强型8051内核，同时芯片在内部总线上有较大的优化和改进，因此CC2530的GPIO配置寄存器众多，如表4.1所示。

表4.1 GPIO配置寄存器

GPIO的控制寄存器众多，但用于输入/输出配置的寄存器只有特定的几个，所以驱动GPIO时只需要配置P1DIR（端口1方向寄存器）和P1SEL（端口1功能选择寄存器）。P1DIR寄存器功能分配如表4.2所示，P1ESL寄存器功能分配如表4.3所示。

表4.2 P1DIR寄存器功能分配

表4.3 P1SEL寄存器功能分配

如表4.2所示，P1DIR寄存器用于配置GPIO的方向，即输入/输出方向，当某一位置1时表示对应的引脚为Output，即输出模式，反之则为Input，即输入模式。P1SEL用于设置GPIO引脚的功能，表示GPIO是GPIO模式还是外设模式，当某一位置1时表示对应的引脚配置为外设模式，反之则为GPIO模式，因此对GPIO的配置其实就是对控制寄存器的配置。

4.3.3 GPIO的位操作

GPIO一般是通过位操作完成寄存器设置的，常用的位操作运算符有按位与“&”、按位或“|”、按位取反“~”、按位异或“^”，以及左移运算符“<<”和右移运算符“>>”。

（1）按位或运算符“|”。参加运算的两个运算量的位至少有一个是1时，结果为1，否则为0，按位或运算常用来对一个数据的某些特定的位置1，例如，“P1DIR |=0X02”，0X02为十六进制数，转换成二进制数为00000010，若P1DIR原来的值为00110000，或运算后P1DIR的值为00110010。根据上面给出的取值表可知，按位或运算后P1_1的方向改为输出，其他I/O口方向保持不变。

（2）按位与运算符“&”。参加运算的两个运算量相应的位都是1时，则结果为1，否则为0，按位与运算常用于清除一个数中的某些特定位。

（3）按位异或运算符“^”。参加运算的两个运算量相应的位相同，即均为0或者均为1时，结果值中该位为0，否则为1，按位异或运算常用于将一个数中某些特定位翻转。

（4）按位取反“~”。用于对一个二进制数按位取反，即0变1,1变0。

（5）左移运算符“<<”。左移运算用于将一个数的各个二进制全部左移若干位，移到左端的高位被舍弃，右边的低位补0。

（6）右移运算符“>>”。用于对一个二进制数位全部右移若干位，移到右端的低位被舍弃。

例如，“P1DIR &=~0x02”, &表示按位与运算，~运算符表示取反，0x02为00000010,~0x02为11111101。若P1DIR原来的值为00110010，进行与运算后P1DIR的值为00110000。

4.4 任务实践：信号灯的软/硬件设计

4.4.1 开发设计

1．硬件设计

本任务的硬件架构设计如图4.3所示。

图4.3 硬件架构设计图

要通过CC2530微处理器实现对按键动作的检测和信号灯的控制，第一要了解信号灯的控制原理，第二要掌握按键动作的捕获原理，将捕获按键动作和信号灯控制结合起来就可以实现两者的联动控制，从而达到项目设计效果。

1）连接到GPIO的LED控制

将信号灯的控制转化成对GPIO的主动控制：高电平输出和低电平输出，信号灯LED接口电路如图4.4所示，图中D1与D2一端接电阻，另一端接在CC2530微处理器上，电阻的另一端连接在3.3 V的电源上，D1与D2采用的是正向连接导通的方式，当P1_0和P1_1为高电平（3.3 V）时，D1与D2两电压相同，无法形成压降，因此D1与D2不导通，D1与D2熄灭；反之当P1_0和P1_1为低电平时，D1与D2两端形成压降，则D1与D2点亮。

图4.4 LED接口电路图

按键的状态检测方式主要是使用CC2530微处理器GPIO的引脚电平读取功能，相关引脚为高电平时引脚读取的值为1，反之则为0。而按键是否按下，以及按下前后的电平状态则需要按照实际的按键原理图来确认，按键接口电路如图4.5所示。图中，按键K1的引脚2接GND，引脚1接电阻和CC2530微处理器的引脚P1_2，电阻的另一端连接3.3 V电源，当按键没有按下时K1的引脚1和引脚2断开，由于CC2530微处理器引脚在输入模式时为高阻态，所以引脚P1_2采集的电平为高电平；当K1按键按下后K1的引脚1和引脚2导通，此时引脚P1_2导通接地，所以此时引脚检测电平为低电平。

图4.5 按键接口电路图

2）按键控制

通常按键所用的开关都是机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定地接通，在断开时也不会一下子就彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随着一连串的抖动，按键抖动电信号波形如图4.6所示。

图4.6 按键抖动电信号波形

按键稳定闭合时间长短是由操作人员决定的，通常都会在100 ms以上，刻意快速按的话能达到40～50 ms，很难再低了。抖动时间是由按键的机械特性决定的，一般都会在10 ms以内，为了确保程序对按键的一次闭合或者一次断开只响应一次，必须进行按键的消抖处理。当检测到按键状态变化时，不是立即去响应动作，而是先等待闭合或断开稳定后再进行处理。按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。

本任务使用软件消抖，当检测到按键状态变化后，先等待一段时间，让抖动消失后再进行按键状态检测，如果与刚才检测的状态相同，就可以确认按键已经稳定了。

2．软件设计

掌握硬件设计之后，再来分析软件设计。首先需要将CC2530微处理器的GPIO配置为输入模式和输出模式，配置输入模式和输出模式时涉及两个寄存器，分别为PxSEL（模式选择寄存器）和PxDIR（输入/输出方向控制寄存器）。其次，在按键输入检测时需要使用延时消抖和松手检测方法，通过延时消抖可以屏蔽开关动作时的电平抖动，防止误操作；使用松手检测作为对LED控制的触发条件。程序设计流程如下。

（1）配置LED和按键对应的GPIO，初始化LED和按键外设。

（2）初始化完成后程序进入主循环，主循环中不断检测按键的状态。

（3）当检测到按键按下时，延时10 ms，待电平稳定后如果按键依旧处于按下状态则确定按键被按下，等待按键抬起。

（4）检测到按键抬起后执行LED的反转控制操作，完成对LED的控制。

程序设计流程如图4.7所示。

图4.7 软件设计流程图

注意：本任务中所讲到的按键和信号灯在接下来的任务开发中都会用到，相关内容在此处进行详细解释后，其他任务将不再对按键和信号灯等相关内容进行介绍。

4.4.2 功能实现

通过原理学习可知，要实现D1、D2的亮灭，只需配置P1_0、P1_1引脚即可，然后输出高/低电平，即可实现D1、D1的闪烁控制，这两个引脚只需配置为输入模式读取电平即可。下面是源代码实现的解析过程。

1．主函数模块

首先实现LED端口和按键端口的初始化，然后进入循环以检测按键状态，当按键按下时，进行LED状态控制。

    /****************************************************************************************
    * 名称：main()
    * 功能：LED驱动逻辑代码
    ****************************************************************************************/
    void main(void)
    {
        led_io_init();                               //LED端口初始化
        key_io_init();                               //按键端口初始化
        LED2=ON;                               //打开LED0
        while(1){
          if(KEY1==ON){                        //按键按下，改变两个LED的状态
              delay_ms(10);                        //按键防抖10 ms
              if(KEY1==ON){                     //按键按下，改变两个LED的状态
                  while(KEY1==ON);               //松手检测
                  LED2=~LED2;                  //LED翻转闪烁
                  LED1=~LED1;                  //LED翻转闪烁
              }
          }
        }
    }

2．LED初始化模块

LED初始化需要先配置P1SEL寄存器为GPIO模式，然后配置P1DIR寄存器为输出模式，并先关闭两个LED，源代码如下。

    /****************************************************************************************
    * 名称：led_init()
    * 功能：LED控制引脚初始化
    ****************************************************************************************/
    void led_io_init(void)
    {
        P1SEL&=~0x03;                       //配置控制引脚（P1_0和P1_1）为GPIO模式
        P1DIR|=0x03;                         //配置控制引脚（P1_0和P1_1）为输出模式
        LED1=OFF;                           //初始状态为关闭
        LED2=OFF;                           //初始状态为关闭
    }

3．按键初始化模块

按键初始化时先配置P1SEL寄存器为GPIO模式，然后配置P1DIR寄存器为输入模式，源代码如下。

    /****************************************************************************************
    * 名称：key_init()
    * 功能：按键初始化
    ****************************************************************************************/
    void key_init(void)
    {
        P1SEL&=~0x0C;                   //配置按键检测引脚（P1_2和P1_3）为GPIO模式
        P1DIR&=~0x0C;                   //配置按键检测引脚（P1_2和P1_3）为通输出模式
    }

4．延时模块

    /****************************************************************************************
    * 名称：delay_ms()
    * 功能：硬件延时，大于250 ms
    * 参数：times—延时时间
    ****************************************************************************************/
    void delay_ms(u16 times)
    {
        u16 i, j;                                   //定义临时参数
        i=times/250;                              //获取要延时时长的250 ms倍数部分
        j=times % 250;                             //获取要延时时长的250 ms余数部分
        while(i--)hal_wait(250);                       //延时250 ms
        hal_wait(j);                                //延时剩余部分
    }
    /****************************************************************************************
    * 名称：hal_wait(u8 wait)
    * 功能：硬件延时函数
    * 参数：wait—延时时间（wait<255）
    ****************************************************************************************/
    void hal_wait(u8 wait)
    {
        unsigned long largeWait;                       //定义硬件计数的临时参数
        if(wait==0)return;                          //如果延时参数为0，则跳出
        largeWait=((u16)(wait<<7));                  //将数据扩大64倍
        largeWait+=114*wait;                        //将延时数据扩大114倍并求和
        largeWait=(largeWait>>CLKSPD);              //根据系统时钟频率对延时进行缩放
        while(largeWait--);                          //等待延时自减完成
    }

4.5 任务验证

使用IAR开发环境打开任务设计工程，程序通过编译后，由SmartRF下载到CC2530微处理器中，执行程序后，开发平台上D2点亮，D1熄灭。按下K1按键后D2熄灭，D1点亮。再次按下K1按键后D2点亮，D1熄灭，如此循环往复。

4.6 任务小结

GPIO是微处理器最常用的基本接口，本任务先学习了GPIO的概念、工作模式，然后进一步学习了GPIO的基本功能和控制，并介绍了GPIO的位操作，最后完成该任务的硬件设计和软件设计，实现了通过CC2530微处理器的GPIO接口控制相关仪表的信息和状态。

4.7 思考与拓展

（1）GPIO的三种状态有什么功能？可以应用在哪些方面？

（2）常见的GPIO的位操作有哪些？

（3）CC2530的GPIO方向寄存器和功能选择寄存器有什么功能？如何配置？

（4）如何驱动CC2530微处理器的GPIO？

（5）手机接收到短消息时，信号灯就会像人的呼吸一样闪烁，信号灯逐渐变亮，达到最亮后又逐渐熄灭，通过这样一种有反差的闪烁效果，既能体现科技时尚感，又能达到很好的来电消息提醒效果。以手机信号灯为项目目标，如何基于CC2530实现LED闪烁的“呼吸”效果？