STM32单片机外设编程：串口、定时器、中断、ADC的实战应用

# 1. STM32单片机外设简介**

STM32单片机是一款基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，集成了丰富的片上外设，为嵌入式系统开发提供了强大的硬件支持。本章将对STM32单片机的常用外设进行简介，包括串口、定时器、中断、ADC等，为后续章节的实战编程奠定基础。

# 2. 串口编程实战**

**2.1 串口通信原理及配置**

**2.1.1 串口通信基础**

串口通信是一种异步串行通信协议，用于在两个设备之间传输数据。它使用一条数据线和一条控制线，数据线传输数据位，控制线用于同步通信。串口通信的特点是：

* **异步传输：**数据位逐个发送，没有时钟信号同步。
* **半双工通信：**同一时间只能有一个设备发送或接收数据。
* **数据格式：**数据通常以 8 位字节的形式传输，并附加起始位和停止位。

**2.1.2 STM32串口配置**

STM32单片机集成了多个串口外设，用于实现串口通信。串口配置主要涉及以下步骤：

* **选择串口外设：**STM32单片机有多个串口外设，如 USART1、USART2 等。根据需要选择合适的串口外设。
* **配置波特率：**波特率决定了数据传输速率。通过设置串口外设的波特率寄存器来配置波特率。
* **配置数据格式：**数据格式包括数据位、停止位和奇偶校验位。通过设置串口外设的数据格式寄存器来配置数据格式。
* **配置中断：**串口外设支持中断，当数据接收或发送完成时会触发中断。通过设置串口外设的中断寄存器来配置中断。

**代码块：**

#include "stm32f10x.h"

void USART1_Init(void)
{
    // 选择串口外设
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 配置波特率
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 配置中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}

**逻辑分析：**

* `RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);`：使能 USART1 外设时钟。
* `USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);`：初始化 USART1 外设，配置波特率、数据格式和模式。
* `USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);`：使能 USART1 接收中断。
* `NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);`：使能 USART1 中断向量。

**2.2 串口数据收发**

**2.2.1 字符串收发**

字符串收发是最常用的串口数据收发方式。通过串口发送和接收字符串，可以实现设备之间的文本信息交换。

**代码块：**

void USART1_SendString(char *str)
{
    while (*str)
    {
        USART_SendData(USART1, *str);
        str++;
    }
}

char USART1_ReceiveString(void)
{
    char ch;
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET)
        ;
    ch = USART_ReceiveData(USART1);
    return ch;
}

**逻辑分析：**

* `USART1_SendString(char *str)`：发送一个字符串。循环遍历字符串，逐个字符发送。
* `USART1_ReceiveString(void)`：接收一个字符。等待接收数据寄存器非空，然后读取接收到的字符。

**2.2.2 数据结构收发**

除了字符串，串口还可以收发自定义的数据结构。通过将数据结构序列化为字节流，可以在设备之间传输复杂的数据。

**代码块：**

typedef struct {
    int a;
    float b;
} DataStruct;

void USART1_SendDataStruct(DataStruct *data)
{
    USART_SendData(USART1, data->a);
    USART_SendData(USART1, data->b);
}

DataStruct USART1_ReceiveDataStruct(void)
{
    DataStruct data;
    data.a = USART_ReceiveData(USART1);
    data.b = USART_ReceiveData(USART1);
    return data;
}

**逻辑分析：**

* `USART1_SendDataStruct(DataStruct *data)`：发送一个数据结构。逐个成员变量发送数据。
* `USART1_ReceiveDataStruct(void)`：接收一个数据结构。逐个成员变量接收数据。

# 3. 定时器编程实战

### 3.1 定时器工作原理及配置

#### 3.1.1 定时器基础

定时器是一种用于测量时间间隔或生成特定频率脉冲的硬件模块。STM32单片机中有多个定时器，每个定时器都有自己的功能和配置选项。

定时器的工作原理是基于一个计数器，该计数器以特定频率递增。当计数器达到预设值时，它会产生一个中断或触发一个事件。

#### 3.1.2 STM32定时器配置

STM32定时器可以通过寄存器进行配置。主要配置寄存器包括：

- **TIMx_CR1：**控制定时器的基本功能，如使能、时钟源、计数方向等。
- **TIMx_PSC：**预分频寄存器，用于设置定时器的时钟分频比。
- **TIMx_ARR：**自动重装载寄存器，用于设置定时器的计数上限。

**示例代码：**

// 配置定时器3为向上计数模式，时钟源为APB1，分频比为100
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;  // 使能定时器3时钟
TIM3->CR1 = 0x0000;                  // 重置定时器3控制寄存器
TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;             // 使能定时器3
TIM3->PSC = 99;                       // 设置分频比为100
TIM3->ARR = 10000;                    // 设置自动重装载值为10000

### 3.2 定时器中断应用

#### 3.2.1 定时器中断原理

当定时器计数器达到预设值时，会产生一个中断请求。中断请求由NVIC（嵌套向量中断控制器）处理，它会调用相应的中断服务函数。

#### 3.2.2 定时器中断应用示例

定时器中断可以用于各种应用，例如：

- **延时：**使用定时器中断实现精确的延时。
- **周期性任务：**定时器中断可以触发周期性任务，如LED闪烁或数据采集。
- **事件计数：**使用定时器中断计数外部事件，如按钮按下次数。

**示例代码：**

// 定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

// 配置定时器3中断
void TIM3_Config_Interrupt(void)
{
    // 使能定时器3中断
    TIM3->DIER |= TIM_DIER_UIE;

    // 设置NVIC中断优先级
    NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 1);

    // 使能NVIC中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
}

# 4.1 中断原理及配置

### 4.1.1 中断基础

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，处理器会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。中断事件可以由外部设备（如串口、定时器）或内部事件（如错误）触发。

**中断类型**

STM32单片机支持多种中断类型，包括：

- **外部中断：**由外部引脚上的电平变化触发。
- **内部中断：**由内部外设（如串口、定时器）的事件触发。
- **NMI中断：**由非屏蔽中断请求触发，具有最高优先级。
- **HardFault中断：**由处理器检测到的错误触发，如内存访问违规。

**中断优先级**

每个中断都有一个优先级，决定了当多个中断同时发生时，哪个中断先被处理。STM32单片机支持多级中断优先级，允许用户根据中断的重要性进行配置。

### 4.1.2 STM32中断配置

**NVIC寄存器**

STM32的中断控制器称为NVIC（嵌套向量中断控制器）。它包含一系列寄存器，用于配置和管理中断。

**中断使能寄存器（ISER）**

ISER寄存器用于使能或禁用中断。每个中断都有一个对应的位，置1表示使能，置0表示禁用。

**中断挂起寄存器（ISPR）**

ISPR寄存器用于挂起中断。置1表示挂起中断，置0表示取消挂起。

**中断优先级寄存器（IPR）**

IPR寄存器用于设置中断优先级。每个中断都有一个对应的位，值越大表示优先级越高。

**中断配置步骤**

配置STM32中断的步骤如下：

1. **使能中断：**在ISER寄存器中置1对应中断的位。
2. **设置优先级：**在IPR寄存器中设置对应中断的优先级。
3. **编写中断服务函数：**为每个中断编写对应的中断服务函数。
4. **在中断服务函数中：**处理中断事件，并清除中断标志位。

**代码示例**

以下代码示例展示了如何使能和配置串口中断：

// 使能串口中断
NVIC_ISER(NVIC_IRQ_USART1_IRQn) = 1;

// 设置串口中断优先级为3
NVIC_IPR(NVIC_IRQ_USART1_IRQn) = 3;

# 5. ADC编程实战

### 5.1 ADC工作原理及配置

#### 5.1.1 ADC基础

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（例如电压或电流）转换为数字信号的电子器件。在STM32单片机中，ADC外设负责执行此转换。

ADC的工作原理是将模拟信号采样并将其转换为数字值。采样频率和分辨率决定了ADC的精度和速度。采样频率是指ADC每秒采样模拟信号的次数，而分辨率是指ADC可以表示的数字值的位数。

#### 5.1.2 STM32 ADC配置

STM32单片机有多个ADC外设，每个外设都有自己的配置寄存器。要配置ADC，需要设置以下参数：

- **采样时间：**决定ADC将模拟信号保持多长时间以进行采样。
- **分辨率：**决定ADC可以表示的数字值的位数。
- **通道：**选择要转换的模拟输入通道。
- **触发源：**决定ADC何时开始转换。

### 5.2 ADC数据采集及处理

#### 5.2.1 ADC数据采集

ADC数据采集过程涉及以下步骤：

1. 配置ADC外设。
2. 触发ADC转换。
3. 读回转换结果。

// ADC配置
ADC_HandleTypeDef hadc1;
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCKPRESCALER_PCLK_DIV2;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
HAL_ADC_Init(&hadc1);

// ADC触发转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);

// 读回转换结果
uint16_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

#### 5.2.2 ADC数据处理

ADC数据采集后，通常需要进行处理以提取有用的信息。常见的处理技术包括：

- **滤波：**去除ADC数据中的噪声和干扰。
- **校准：**补偿ADC的误差和偏移。
- **单位转换：**将ADC值转换为物理单位（例如电压或电流）。

// ADC数据滤波
uint16_t filteredValue = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  filteredValue += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}
filteredValue /= 10;

// ADC数据校准
float calibratedValue = filteredValue * 0.985;

// ADC数据单位转换
float voltage = calibratedValue * 3.3 / 4095;

# 6. 外设综合应用实例

本章将介绍STM32单片机外设的综合应用实例，展示如何将多个外设组合使用，实现更加复杂的功能。

### 6.1 串口与定时器联动

**应用场景：**定时发送数据到串口

**操作步骤：**

1. 配置定时器，设置中断时间间隔。
2. 在定时器中断服务函数中，发送数据到串口。

// 配置定时器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // 1000ms
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1; // 1MHz
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// 配置定时器中断
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

// 定时器中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

    // 发送数据到串口
    USART_SendData(USART1, 'A');
}

### 6.2 定时器与中断联动

**应用场景：**定时触发中断

**操作步骤：**

1. 配置定时器，设置中断时间间隔。
2. 在定时器中断服务函数中，执行中断处理逻辑。

// 配置定时器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // 1000ms
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1; // 1MHz
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// 配置定时器中断
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

// 定时器中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

    // 中断处理逻辑
    // ...
}

### 6.3 ADC与串口联动

**应用场景：**采集模拟信号并通过串口发送

**操作步骤：**

1. 配置ADC，设置采样频率和分辨率。
2. 启动ADC转换。
3. 在ADC转换完成中断服务函数中，读取ADC数据并通过串口发送。

// 配置ADC
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

// 启动ADC转换
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

// ADC转换完成中断服务函数
void ADC1_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);

    // 读取ADC数据
    uint16_t adc_data = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    // 通过串口发送ADC数据
    USART_SendData(USART1, (adc_data >> 8) & 0xFF);
    USART_SendData(USART1, adc_data & 0xFF);
}