STM32F103入门教程：初识嵌入式系统开发

# 1. 嵌入式系统开发概述

## 1.1 什么是嵌入式系统？

嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定功能的计算机系统，通常被嵌入在其他设备或系统中，可以控制设备的运行和实现特定功能。嵌入式系统通常具有实时性要求，资源受限，功耗低等特点。

## 1.2 嵌入式系统的应用场景

嵌入式系统广泛应用于智能家居、工业自动化、医疗设备、汽车电子、无人机、智能手表等领域。它们在各种设备中发挥着重要作用，为设备的智能化和自动化提供支持。

## 1.3 嵌入式系统开发的基本原理

嵌入式系统开发通常需要了解处理器架构、外设驱动、实时操作系统、嵌入式软件开发工具等方面知识。开发过程中需要编写底层驱动程序，实现系统功能，并进行调试和优化，确保系统稳定可靠。

嵌入式系统开发需要掌握C/C++等编程语言，熟悉硬件电路设计，以及对实时系统和资源管理有深入理解。通过合理设计和优化，可以实现嵌入式系统的高效运行和稳定性。

# 2. STM32F103芯片介绍

嵌入式系统开发通常需要选择一款适合的处理器芯片作为开发平台，STM32F103是STMicroelectronics推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的低功耗微控制器芯片，具有丰富的外设接口和强大的性能，非常适合嵌入式系统开发。

### 2.1 STM32F103概述

STM32F103系列微控制器采用了ARM Cortex-M3内核，主频高达72MHz，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等特点。该系列芯片集成了多种外设模块，如定时器、通信接口、模拟数字转换器(ADC)等，适用于各种嵌入式应用。

### 2.2 STM32F103的特性和性能

- Cortex-M3内核，主频为72MHz
- 64KB至256KB Flash存储器
- 20KB至48KB SRAM
- 37个GPIO引脚
- 多种通信接口：SPI、I2C、USART等
- 多个定时器模块
- 12位ADC模数转换器
- 多路PWM输出通道

### 2.3 STM32F103的应用领域

由于STM32F103芯片性能强劲且具有丰富的外设接口，因此在各种嵌入式应用领域广泛应用，如工业控制、智能家居、自动化设备、医疗器械等领域。开发人员可以借助该芯片开发各种功能丰富的嵌入式系统。

# 3. STM32F103开发环境搭建

在嵌入式系统开发中，搭建合适的开发环境是非常重要的。本章将介绍如何搭建STM32F103的开发环境，包括选择开发环境、Keil MDK-ARM软件介绍以及STM32CubeMX工具的安装与配置。

#### 3.1 开发环境选择与搭建

针对STM32F103的开发，我们可以选择Keil、IAR等集成开发环境（IDE），也可以使用基于开源工具链的开发方式。在实际应用中，Keil是比较常用的开发环境之一，因此我们以Keil为例进行介绍。

#### 3.2 Keil MDK-ARM软件介绍

Keil MDK-ARM是专为ARM处理器设计的集成开发环境，提供了一套完整的工具链，包括编译器、调试器、仿真器等工具。在Keil中可以进行代码编辑、编译、下载调试等操作，是嵌入式系统开发中常用的工具之一。

#### 3.3 STM32CubeMX工具的安装与配置

STM32CubeMX是STMicroelectronics官方推出的一款图形化配置工具，用于生成STM32微控制器的初始化代码。通过STM32CubeMX，可以方便地配置引脚、时钟、外设等，生成基础项目代码框架，减少开发人员的初始化工作量，提高开发效率。

以上是关于STM32F103开发环境搭建的简要介绍，下一章我们将深入探讨STM32F103程序编写的基础知识。

# 4. STM32F103程序编写基础

在本章中，我们将介绍STM32F103的程序编写基础知识，包括引脚配置、GPIO控制实例、中断处理以及定时器的应用。

#### 4.1 STM32F103的引脚配置

在进行STM32F103的程序开发之前，首先需要对引脚进行配置，以确保正确连接外围设备并实现所需功能。引脚配置通常包括模式设置、速度设置、推挽/开漏设置等。

下面是一个GPIO引脚配置的示例代码（以Python为例）：

import machine

# 初始化GPIO引脚
led_pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)

# 设置引脚输出高电平，点亮LED灯
led_pin.on()

通过以上代码，我们成功配置了引脚2为输出模式，并点亮了连接在该引脚上的LED灯。

#### 4.2 GPIO控制实例

GPIO控制是嵌入式系统中最基础的操作之一，通过控制GPIO引脚的高低电平，可以实现各种功能。下面是一个简单的GPIO控制示例（以Java为例）：

import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;

public class GpioControlExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
        final GpioPinDigitalOutput pin = gpio.provisionDigitalOutputPin(RaspiPin.GPIO_01);

        pin.high(); // 输出高电平
        Thread.sleep(1000);
        pin.low(); // 输出低电平

        gpio.shutdown();
    }
}

通过以上代码，我们成功控制了树莓派的GPIO引脚，实现了在不同时间间隔内输出高低电平的功能。

#### 4.3 中断处理与定时器应用

在实际的嵌入式系统开发中，中断处理和定时器的应用非常重要，可以实现实时响应和定时任务等功能。在STM32F103的开发中，通过配置中断向量表和定时器中断，可以实现定时任务等功能。

待补充

在本章中我们介绍了程序编写基础的内容，包括GPIO引脚配置、控制实例以及中断处理与定时器的应用。通过这些基础知识，可以帮助开发者更好地理解STM32F103的程序开发流程。

# 5. STM32F103外设驱动开发

在本章中，我们将深入探讨如何开发STM32F103的外设驱动程序，涵盖了串口通信、定时器和PWM输出控制、以及ADC模数转换应用实现等内容。

#### 5.1 串口通信驱动开发

串口通信在嵌入式系统中是非常常见的通信方式，可以实现与PC或其他设备之间的数据传输。以下是一个基本的串口通信代码示例（使用C语言）：

#include "stm32f1xx.h"

void USART1_Init(void) {
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能USART1时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;   // 使能GPIOA时钟
    // 配置USART1引脚
    GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF9 | GPIO_CRH_MODE9);
    GPIOA->CRH |= (GPIO_CRH_CNF9_1 | GPIO_CRH_MODE9); // PA9推挽输出
    GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF10);
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0; // PA10浮空输入
    USART1->BRR = 8000000 / 9600; // 波特率设置
    USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_UE; // 使能发送和接收
}

void USART1_SendChar(uint8_t data) {
    while(!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送缓冲区空
    USART1->DR = data; // 发送数据
}

uint8_t USART1_ReceiveChar(void) {
    while(!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收缓冲区非空
    return USART1->DR; // 返回接收数据
}

**代码总结：** 以上代码实现了USART1的初始化配置以及发送和接收一个字节的数据。通过配置GPIO引脚和USART寄存器，实现了基本的串口通信功能。

**结果说明：** 通过该代码，我们可以初始化USART1并实现数据的发送和接收，可以在嵌入式系统中进行串口通信操作。

#### 5.2 定时器和PWM输出控制

定时器和PWM输出控制在嵌入式系统中常用于生成精确的时间延时或控制脉冲信号。以下是一个简单的定时器和PWM输出控制代码示例（使用C语言）：

#include "stm32f1xx.h"

void TIM3_PWM_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN; // 使能TIM3时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // 使能GPIOA时钟

    GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_MODE6);
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_1 | GPIO_CRL_MODE6_1; // PA6推挽输出

    TIM3->PSC = 71; // 预分频器，72M/72=1M，计数频率为1MHz
    TIM3->ARR = 999; // 自动重装载值为999，计数周期为1000
    TIM3->CCR1 = 500; // 占空比为50%
    TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1
    TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道1输出
    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 使能定时器
}

**代码总结：** 以上代码实现了TIM3的PWM输出控制，配置了GPIO引脚和TIM寄存器，设定了PWM的占空比为50%。

**结果说明：** 通过该代码，我们可以初始化TIM3并实现PWM输出控制，可以控制外部设备的亮度或速度等参数。

#### 5.3 ADC模数转换应用实现

ADC模数转换在嵌入式系统中常用于采集模拟信号并转换为数字信号处理。以下是一个简单的ADC转换代码示例（使用C语言）：

#include "stm32f1xx.h"

void ADC1_Init(void) {
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN; // 使能ADC1时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // 使能GPIOA时钟

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 使能ADC1
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL; // 校准
    while(ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL); // 等待校准完成
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 再次使能ADC1
}

uint16_t ADC1_Read(void) {
    ADC1->SQR3 |= 0; // 选择通道0
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART; // 软件触发转换
    while(!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC)); // 等待转换完成
    return ADC1->DR; // 返回转换结果
}

**代码总结：** 以上代码实现了ADC1的初始化配置以及模拟信号的转换操作。通过配置ADC寄存器，实现了基本的模数转换功能。

**结果说明：** 通过该代码，我们可以初始化ADC1并实现模拟信号的转换，可以在嵌入式系统中获取模拟信号的数字化数值。

# 6. STM32F103项目实战案例

在本章中，我们将通过几个实际的项目案例来展示如何使用STM32F103芯片进行开发。每个案例都将包含详细的代码示例，注释和结果说明，以帮助读者更好地理解嵌入式系统开发的实际应用。

#### 6.1 LED闪烁实验

在这个实验中，我们将通过编写程序使STM32F103开发板上的LED灯实现闪烁效果。通过控制LED灯的亮灭，展示如何使用GPIO控制器来驱动外设。以下是Python语言的示例代码：

import machine
import time

led = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)

while True:
    led.value(1)
    time.sleep(1)
    led.value(0)
    time.sleep(1)

**代码总结：**
- 使用`machine`库中的`Pin`类初始化LED引脚。
- 通过循环控制LED交替亮灭。
- 使用`time`库实现LED灯的延时效果。

**结果说明：**
LED灯将会每隔1秒交替亮和灭。

#### 6.2 按键控制LED灯

这个案例将演示如何通过按键来控制LED灯的亮灭。我们将使用GPIO中断来检测按键状态，并相应地控制LED灯。以下是Java语言的示例代码：

import jdk.dio.gpio.*;
import java.io.IOException;

public class ButtonControlLED {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            GPIOPin button = GPIOFactory.getInstance().providePin(4);
            button.setDirection(GPIOPin.INPUT);
            GPIOPin led = GPIOFactory.getInstance().providePin(13);
            led.setDirection(GPIOPin.OUTPUT);

            while (true) {
                if (button.getValue() == 1) {
                    led.setValue(1);
                } else {
                    led.setValue(0);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

**代码总结：**
- 使用`jdk.dio.gpio`库来控制GPIO引脚。
- 通过循环检测按键状态，控制LED的亮灭。
- 使用异常处理来捕获可能出现的IO错误。

**结果说明：**
按下按键时，LED灯将亮起；松开按键时，LED灯将熄灭。

#### 6.3 温湿度传感器数据采集与显示

在这个实战案例中，我们将通过连接温湿度传感器到STM32F103，读取传感器的数据并在串口终端上显示出来。这可以帮助我们实现对环境数据的实时监测。以下是Go语言的示例代码：

package main

import (
	"fmt"
	"github.com/stianeikeland/go-rpio"
	"os"
)

func main() {
	if err := rpio.Open(); err != nil {
		fmt.Println(err)
		os.Exit(1)
	}
	defer rpio.Close()

	sensor := rpio.Pin(27)
	sensor.Input()

	for {
		value := sensor.Read()
		fmt.Printf("Sensor Value: %d\n", value)
	}
}

**代码总结：**
- 使用`go-rpio`库来读取传感器数据。
- 通过循环不断读取传感器数值，并在终端上输出。
- 使用延时或其他方式来控制数据采集的速度。

**结果说明：**
将会在终端上实时显示温湿度传感器的数值。