STM32开发实战：从零开始构建嵌入式系统，解锁嵌入式开发新技能

# 1. 嵌入式系统基础**

嵌入式系统是一种专门设计的计算机系统，用于执行特定功能。它们通常具有以下特点：

- **紧凑性：**嵌入式系统通常尺寸较小，功耗较低，适合于空间受限的应用。
- **实时性：**嵌入式系统通常需要对外部事件做出快速响应，因此需要具有实时处理能力。
- **可靠性：**嵌入式系统通常用于关键任务应用，因此需要具有高可靠性。

# 2. STM32硬件架构与编程环境**

**2.1 STM32芯片架构**

STM32系列芯片是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的32位微控制器，广泛应用于嵌入式系统开发。其内部架构主要包括：

* **内核：**STM32采用ARM Cortex-M系列内核，具有高性能和低功耗的特点。
* **存储器：**包括Flash存储器（用于存储程序代码）和SRAM存储器（用于存储数据）。
* **外设：**提供丰富的通信、定时、ADC/DAC等外设，满足各种应用需求。
* **总线：**内部总线连接各个组件，实现数据和指令的传输。

**2.2 开发环境搭建**

STM32开发环境搭建主要包括：

* **集成开发环境（IDE）：**如Keil MDK、IAR Embedded Workbench等，用于编写、编译和调试代码。
* **编译器：**将代码编译成可执行的机器码。
* **调试器：**用于调试代码，查找和修复错误。
* **仿真器：**用于在实际硬件上仿真程序，方便测试和验证。

**2.3 GPIO编程**

GPIO（通用输入/输出）是STM32芯片上的一种外设，用于控制外部设备。其编程主要涉及：

* **引脚配置：**设置引脚为输入或输出模式，并配置上拉/下拉电阻。
* **读写操作：**通过寄存器读取或写入引脚状态。
* **中断处理：**配置引脚中断，当外部事件发生时触发中断。

**代码示例：**

// 初始化GPIO引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

// 设置引脚为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

// 设置引脚为低电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

**代码逻辑分析：**

* `GPIO_InitTypeDef`结构体用于配置GPIO引脚。
* `HAL_GPIO_Init()`函数初始化GPIO引脚。
* `HAL_GPIO_WritePin()`函数设置引脚电平。

# 3. STM32外设编程**

**3.1 定时器编程**

**3.1.1 定时器概述**

STM32的定时器是功能强大的外设，可用于生成精确的时间间隔、测量脉冲宽度和频率，以及创建波形。STM32系列芯片有多种定时器，每种定时器都有其独特的特性和功能。

**3.1.2 定时器配置**

要使用定时器，必须首先配置其寄存器。这些寄存器控制定时器的时钟源、预分频器、计数模式和中断使能。

// 设置定时器时钟源
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

// 设置定时器预分频器
TIM2->PSC = 7200 - 1; // 时钟源为72MHz，预分频为7200，则定时器时钟为10kHz

// 设置定时器计数模式
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 计数模式为向上计数

**3.1.3 定时器中断**

定时器可以配置为在达到特定计数值时产生中断。这允许在不轮询定时器的情况下响应定时器事件。

// 使能定时器中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

// 设置中断优先级
NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0);

// 注册中断处理函数
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

**3.2 ADC编程**

**3.2.1 ADC概述**

ADC（模数转换器）是将模拟信号转换为数字信号的外设。STM32系列芯片有多个ADC，每个ADC都有其独特的特性和功能。

**3.2.2 ADC配置**

要使用ADC，必须首先配置其寄存器。这些寄存器控制ADC的时钟源、采样时间、分辨率和通道选择。

// 设置ADC时钟源
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;

// 设置ADC采样时间
ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP10_1; // 采样时间为10个ADC时钟周期

// 设置ADC分辨率
ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_12BIT; // 分辨率为12位

// 设置ADC通道选择
ADC1->CHSELR |= ADC_CHSELR_CH10; // 选择通道10

**3.2.3 ADC转换**

ADC转换过程包括以下步骤：

1. 配置ADC寄存器
2. 启动ADC转换
3. 等待转换完成
4. 读取转换结果

// 启动ADC转换
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

// 等待转换完成
while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));

// 读取转换结果
uint16_t result = ADC1->DR;

**3.3 DAC编程**

**3.3.1 DAC概述**

DAC（数模转换器）是将数字信号转换为模拟信号的外设。STM32系列芯片有多个DAC，每个DAC都有其独特的特性和功能。

**3.3.2 DAC配置**

要使用DAC，必须首先配置其寄存器。这些寄存器控制DAC的时钟源、输出范围和数据格式。

// 设置DAC时钟源
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;

// 设置DAC输出范围
DAC->CR |= DAC_CR_TEN1; // 使能通道1

// 设置DAC数据格式
DAC->CR |= DAC_CR_FMT1; // 12位右对齐数据格式

**3.3.3 DAC输出**

要输出数字信号，必须将数据写入DAC寄存器。

// 写入数据到DAC寄存器
DAC->DHR12R1 = 0x0FFF; // 输出0xFFF（满量程）

# 4. STM32通信编程

### 4.1 UART编程

#### 4.1.1 UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种异步串行通信接口，用于在两台设备之间传输数据。它使用单根信号线和一根地线进行通信，数据以比特为单位传输，每个比特由一个起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和一个停止位组成。

#### 4.1.2 STM32 UART硬件架构

STM32微控制器集成了多个UART外设，每个UART外设都有一个发送寄存器（USART_DR）和一个接收寄存器（USART_DR）。发送寄存器用于存储要发送的数据，接收寄存器用于存储接收到的数据。UART外设还具有可配置的波特率、数据位、奇偶校验和停止位设置。

#### 4.1.3 STM32 UART编程步骤

**1. 初始化UART外设**

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

**2. 发送数据**

USART_SendData(USART1, 0x55);
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);

**3. 接收数据**

while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);

### 4.2 I2C编程

#### 4.2.1 I2C简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，用于连接多个设备。它使用两根信号线（SDA和SCL）进行通信，数据以字节为单位传输，每个字节由一个起始位、数据位、应答位和一个停止位组成。

#### 4.2.2 STM32 I2C硬件架构

STM32微控制器集成了多个I2C外设，每个I2C外设都有一个发送寄存器（I2C_DR）和一个接收寄存器（I2C_DR）。发送寄存器用于存储要发送的数据，接收寄存器用于存储接收到的数据。I2C外设还具有可配置的波特率和地址设置。

#### 4.2.3 STM32 I2C编程步骤

**1. 初始化I2C外设**

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x0A;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);

**2. 发送数据**

I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x5A, I2C_Direction_Transmitter);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
I2C_SendData(I2C1, 0x55);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

**3. 接收数据**

I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x5A, I2C_Direction_Receiver);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
uint8_t data = I2C_ReceiveData(I2C1);
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

### 4.3 SPI编程

#### 4.3.1 SPI简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，用于在两台设备之间传输数据。它使用四根信号线（SCLK、MOSI、MISO和SS）进行通信，数据以比特为单位传输，每个比特由一个时钟信号和一个数据信号组成。

#### 4.3.2 STM32 SPI硬件架构

STM32微控制器集成了多个SPI外设，每个SPI外设都有一个发送寄存器（SPI_DR）和一个接收寄存器（SPI_DR）。发送寄存器用于存储要发送的数据，接收寄存器用于存储接收到的数据。SPI外设还具有可配置的波特率、数据位和时钟极性/相位设置。

#### 4.3.3 STM32 SPI编程步骤

**1. 初始化SPI外设**

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

**2. 发送数据**

SPI_I2S_SendData(SPI1, 0x55);
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

**3. 接收数据**

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
uint8_t data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

# 5.1 FreeRTOS简介

### 5.1.1 什么是FreeRTOS？

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一款开源且免费的实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统设计。它提供了任务调度、同步和通信机制，使开发人员能够创建复杂的、响应迅速的嵌入式应用程序。

### 5.1.2 FreeRTOS的特点

* **实时性：**FreeRTOS是一个实时操作系统，这意味着它可以对事件做出快速响应，确保系统在规定的时间内执行关键任务。
* **轻量级：**FreeRTOS的内核非常小巧，仅有几千字节，这使其非常适合资源受限的嵌入式系统。
* **可移植性：**FreeRTOS可以在各种硬件平台上运行，包括ARM Cortex-M、RISC-V和x86架构。
* **开源和免费：**FreeRTOS是一个开源项目，可在MIT许可证下免费使用。

### 5.1.3 FreeRTOS的架构

FreeRTOS采用微内核架构，其核心功能包括：

* **任务调度器：**管理系统中的任务，并根据优先级调度它们的执行。
* **同步机制：**提供互斥锁、信号量和事件标志等机制，以协调任务之间的访问和通信。
* **内存管理：**管理系统内存，并为任务提供动态内存分配。

### 5.1.4 FreeRTOS的优势

使用FreeRTOS可以带来以下优势：

* **提高响应速度：**FreeRTOS的实时性确保了系统对事件的快速响应，从而提高了应用程序的整体性能。
* **简化开发：**FreeRTOS提供了丰富的API，使开发人员能够轻松创建复杂的多任务应用程序。
* **提高可移植性：**FreeRTOS的可移植性使开发人员能够在不同的硬件平台上重用代码。
* **降低成本：**FreeRTOS是开源且免费的，这可以节省开发和许可成本。

# 6. STM32项目实战**

**6.1 LED闪烁程序**

LED闪烁程序是嵌入式开发中最基本的项目之一，它可以帮助我们验证硬件连接和软件配置是否正确。

**步骤：**

1. 初始化GPIO引脚：配置LED引脚为输出模式。
2. 循环：在循环中，依次将LED引脚置为高电平和低电平，实现LED闪烁。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
    // 初始化GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

    while (1) {
        // LED置为高电平
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);

        // LED置为低电平
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

**6.2 温湿度采集与显示**

温湿度采集与显示项目可以帮助我们了解环境中的温湿度数据。

**步骤：**

1. 连接温湿度传感器：将温湿度传感器连接到STM32开发板。
2. 初始化传感器：配置传感器并读取温湿度数据。
3. 显示数据：将温湿度数据显示在LCD屏幕或串口终端上。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"
#include "dht11.h"

int main() {
    // 初始化温湿度传感器
    DHT11_Init();

    while (1) {
        // 读取温湿度数据
        float temperature, humidity;
        DHT11_ReadData(&temperature, &humidity);

        // 显示数据
        printf("Temperature: %.2f °C\n", temperature);
        printf("Humidity: %.2f %%\n", humidity);
    }
}

**6.3 无线通信与数据传输**

无线通信与数据传输项目可以帮助我们实现设备之间的无线连接和数据交换。

**步骤：**

1. 配置无线模块：初始化无线模块并设置通信参数。
2. 发送数据：将数据发送到另一台设备。
3. 接收数据：接收来自另一台设备的数据。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"
#include "nrf24l01.h"

int main() {
    // 初始化无线模块
    NRF24L01_Init();

    while (1) {
        // 发送数据
        uint8_t data[] = "Hello world!";
        NRF24L01_SendData(data, sizeof(data));

        // 接收数据
        uint8_t rx_data[32];
        NRF24L01_ReceiveData(rx_data, sizeof(rx_data));
    }
}