STM32（持续更新）
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单片机

4294 字
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18 分钟

1.环境配置

  1. MDK5安装Keil MDK (arm.com)需要繁琐的注册（还要美国号码进行登录，我是整破防了），不如用别人破解的（破解教程keil5下载（含安装注册）-CSDN博客）我用夸克网盘分享了「keil5.rar」，点击链接即可保存。打开「夸克APP」，无需下载在线播放视频，畅享原画5倍速，支持电视投屏。
    链接：https://pan.quark.cn/s/6aa84865bf96
  2. STM32CubeMX安装STM32CubeMX：图形化工具 – 意法半导体STMicroelectronics
  3. CH340驱动安装看情况安装
  4. 核心板一块（我这里的使用的STM32F103C8T6）

2.单片机认知

1.概述

电脑体积随技术进步进化到现在的大小，通常包含以下部件

  1. CPU
  2. 主板
  3. 硬盘
  4. 显示器
  5. 内存
  6. 键鼠

单片机就是对应的电脑整机，因为在一颗芯片上包含CPU，硬盘，内存等外设成为单片机

2.结构图

根据官方文档https://datasheet.octopart.com/STM32F103VET6-STMicroelectronics-datasheet-140570544.pdf

STM32F103VET的框图

c2565b3aaced9e00e33389be0d470726_720

这里分别是

  1. 内核Cortex-M3
  2. Flash，包含512k（类似硬盘）
  3. SRAM，包含64k（类似内存）

但是这样写并不准确，部分单片机不一定拥有FLAH或者RAM

3.最小系统

单片机能工作的最小外围电路就叫做最小系统

包括：

  1. 时钟（晶振）
  2. 工作电源（5V系统，3.3V系统，1.8V系统）
  3. 外部设置（例如：启动模式选择）

1.原理框架

未命名文档_0

1.电源

框1：主电源

一个3.3V电源和一些电容

框4：模拟电源

主电源通过磁珠等手段隔离而得模拟电源

框8：备份电源

使用一个二极管并联，有外电时使用外电3.3V，没有外电时才使用纽扣电池电源，用于低功耗下维持CPU的RTC和备份区功能，

2.时钟

框5：主时钟

通常都是由一个晶体和2个电容组成，晶体的频率就是主频，电容容值根据芯片设计匹配，否则晶体不起振，如图主时钟8M晶振电路负责驱动整个系统的运行

框2：实时时钟（RTC时钟）

提供精确的时间和日期信息。它在系统断电时可以继续保持时间计数

负责时间保持和时间戳功能

3.复位电路

框3：复位电路

用于复位CPU，通常是低电平复位

4.框6：选择电路

启动选择电路用于在系统启动时选择不同的启动源（如Flash、RAM或外部设备），以决定程序从哪里开始执行

5.框7：调试口

用于连接调试器和单片机，实现代码下载、调试和监控功能。

2.硬件实物

image-20240806174747844
  1. 框1：复位电路，按复位按键复位系统
  2. 框2；电源电路，将外部的5V转换为3.3V
  3. 框3：启动选择电
  4. 框4：纽扣电池电路
  5. 框5：主芯片和电源电路，4个电容要靠近芯片电源管脚
  6. 框6：实时时钟
  7. 框7：主时钟，8M频率
  8. 框8：模拟电源

3.工程创建

需要先配置好环境

1.安装芯片支持包

image-20240807012045915

选择对应的版本下载

image-20240807012344239

也可以直接导入

image-20240807012554607

这里我已经安装成功了，可以选择升级

2.配置IDE环境

image-20240807012747932

选择 Automatic reload of externally..选项，OK保存即可

image-20240807012823802

3.配置模板库（方便以后使用）

我用夸克网盘分享了「固件库.zip」，点击链接即可保存。打开「夸克APP」，无需下载在线播放视频，畅享原画5倍速，支持电视投屏。
链接：https://pan.quark.cn/s/279fd063e9bd

创建一个模板文件夹

image-20240807173257411

配置CMSIS文件夹

导入CMSIS文件到对应的模板中

（CMSIS指arm公司规定的存放核心代码的文件夹）

image-20240807165554875

以及导入ST公司的器件支持文件

image-20240807170402028

配置Library文件夹

存放外设驱动文件

将这个文件夹下的两个文件夹放到Libray中

image-20240807170826556

配置Start文件夹

将arm的stratup文件拷贝

image-20240807172345970

配置User文件夹

将如下文件拷贝到user中

image-20240807172805552

4.创建新工程

1.命名

随便取一个名字test，打开即可

image-20240807013012238

2.选择对应版本

image-20240807013346839

3.OK跳过

image-20240807013411424

project窗口丢失可以在view中找到

image-20240807014301571
image-20240807014321097

5.导入配置模版

将前面的mode文件夹中的四个文件夹直接拷贝到我们生成的工程目录中

image-20240807173537317

然后点击框中的按钮，在keil中导入配置模板

image-20240807173724013

配置如下

image-20240807173940768

在每个文件夹后面选择add file，然后添加

image-20240807174011175

Libray只需要导入src中文件即可

user如下添加

image-20240807174400087

start选择这个中等文件即可

image-20240807174231499

然后打开user中的main.c文件即可

image-20240807174527188

可将无用配置的删除，简化为

image-20240807175003330

6.Target魔术棒设置

image-20240807175400858

output配置

打开create hex file

image-20240807175444232

C/C++配置

设施宏定义

USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F10x_MD

在include path中填入模板的文件的地址（如图）

注意：library中文件要分开加入

image-20240807183822982

Debug配置

将debug选项配置为st-link，然后setting中选择支持reset and run

image-20240807184043037

Target配置

image-20240807184232408

选中后C/C++界面会显示支持C99

7.中文显示

image-20240807184359029

选中中文支持

image-20240807184432312

8.运行测试

我们选中这里的build（F7）即可

image-20240807184732274

4.IO&点亮LED

这里用于测试和分析的STM32C8XX共有100个引脚

IO

IO是指Input&Output即输入和输出

1.引脚分配

根据官方文档分析

image-20240807214326360

100个引脚，在这里有80个I/O口（P前缀的引脚集市I/O口）

共分为PA,PB,PC,PD,PE五组I/O口

其他功能引脚：（如下图）

  1. 普通电源有5组
  2. 模拟电源有1组
  3. 备份电源1组
  4. 参考电压1组（VREF）
  5. 复位脚1组
  6. 启动配置1组（BOOT0）
  7. 晶振2组（RTC晶振可作为普通I/O）
  8. 空引脚1组（73号NC）
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部分引脚存在服用的情况具体参考官方说明

image-20240807215714565
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2.GPIO

除了DA转换和AD转换， 其他的IO口都是数字逻辑功能

概述

GPIO（通用输入输出）是单片机和微控制器中非常重要的外设模块

芯片用的是TTL电平（数字电平的一种），高电平和低电平（高电平是逻辑1，低电平是逻辑0）

高电平是芯片的IO电压（STM32没有独立IO电压，所以IO电压就是是芯片工作电压），低电平是就低电平

1.基本作用：
  • 输入模式：GPIO 引脚配置为输入时，可以读取外部设备或电路的电平状态
  • 输出模式：GPIO 引脚配置为输出时，可以驱动外部设备或电路，比如点亮 LED
  • 上拉/下拉电阻：GPIO 引脚可以配置内部的上拉或下拉电阻，以确保引脚在未连接时处于已知状态
  • 中断功能：GPIO 引脚可以配置为中断源，当引脚状态发生变化时触发中断
2.工作模式：

输入模式：

  • 浮空输入：引脚没有内部上拉或下拉电阻
  • 上拉输入：引脚内部连接到上拉电阻，默认状态为高电平
  • 下拉输入：引脚内部连接到下拉电阻，默认状态为低电平

输出模式：

  • 推挽输出：引脚可以输出高电平或低电平
  • 开漏输出：引脚可以下拉到低电平或处于高阻状态，常用于与其他设备共享总线

复用功能：

  • GPIO 引脚可以配置为其他外设的功能，比如 UART、SPI、I2C等

1.驱动功能

驱动能力即是一个IO口输出电流或输入电流的能力

官方文档规范
image-20240807231322928
灌电流和拉电流

灌电流（Sink Current）

  • 定义：当GPIO引脚处于低电平（逻辑0）时，允许流入引脚的最大电流。
  • 示例：如果一个LED的阳极（正极）连接到电源，阴极（负极）通过限流电阻连接到GPIO引脚，当GPIO引脚输出低电平时，电流将从电源流经LED和限流电阻进入引脚，这个电流就是灌电流。
  • 25mA的含义：表示每个GPIO引脚在低电平状态下，最多可以承受25毫安的电流流入。

拉电流（Source Current）

  • 定义：当GPIO引脚处于高电平（逻辑1）时，允许流出引脚的最大电流。
  • 示例：如果一个LED的阳极（正极）连接到GPIO引脚，阴极（负极）通过限流电阻连接到地，当GPIO引脚输出高电平时，电流将从引脚流出，经过LED和限流电阻到地，这个电流就是拉电流。
  • 25mA的含义：表示每个GPIO引脚在高电平状态下，最多可以提供25毫安的电流流出。

示例：

假设你有一个STM32微控制器，LED的正极连接到Vcc（比如5V），负极通过一个限流电阻连接到GPIO引脚

  • 当GPIO引脚输出低电平时，LED点亮，这时流入引脚的电流不能超过25mA，这就是灌电流的限制
  • 当LED的正极连接到GPIO引脚，负极通过限流电阻接地时，当GPIO引脚输出高电平时，流出引脚的电流不能超过25mA，这就是拉电流的限制

注意：

  • 大电流的LCD背光，就需要在外部添加三极管驱动电路
  • 有些芯片，灌电流和拉电流的最大值不一样，灌电流可能只有5ma

2.STM32 IO特性

在 STM32 单片机中，GPIO（通用输入输出）引脚可以配置为多种模式，用于不同的应用场景

GPIO 模式分类
  1. 输入模式：
    • 浮空输入（Floating Input）：引脚没有内部上拉或下拉电阻，输入状态不确定
    • 上拉输入（Pull-up Input）：引脚内部连接到上拉电阻，默认状态为高电平
    • 下拉输入（Pull-down Input）：引脚内部连接到下拉电阻，默认状态为低电平
  2. 输出模式：
    • 推挽输出（Push-Pull Output）：引脚可以输出高电平或低电平，驱动能力强
    • 开漏输出（Open-Drain Output）：引脚只能输出低电平或高阻态，输出高电平需要外部上拉电阻
功能推挽开漏
高电平驱动能力强外部上拉电阻提供
低电平驱动能力强强
电平转换速度快外部上拉电阻决定，电阻越小，反应越快，功耗越大
线与功能不支持支持
电平转换不支持支持

推挽输出（Push-Pull Output）

  • 高电平驱动能力：强，输出电压等于 Vcc（通常为 3.3V 或 5V）
  • 低电平驱动能力：强，输出电压接近 0V
  • 电平转换：快，适用于驱动速度要求高的负载
  • 适用场景：直接驱动 LED、驱动数字电路、输出稳定的逻辑电平信号

开漏输出（Open-Drain Output）

  • 高电平驱动：依赖外部上拉电阻，输出电压由上拉电阻连接的电源电压决定
  • 低电平驱动能力：强，输出电压接近 0V
  • 电平转换：由外部上拉电阻决定，电阻越小，转换速度越快但功耗越大
  • 适用场景：多设备总线（如 I2C）、需要电平转换的场合（如从 3.3V 转换到 5V）

示例：

使用推挽模式驱动 LED 的简单示例代码：

#include "stm32f10x.h"  
​
void GPIO_Config(void) {
    // 启用 GPIO 端口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
​
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 配置 PC13 为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}
​
int main(void) {
    // 初始化 GPIO
    GPIO_Config();
    
    while (1) {
        // 设置高电平，点亮 LED
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        
        // 设置低电平，熄灭 LED
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}
STM32 IO 速度配置

STM32 的 GPIO 引脚速度可以配置，以适应不同的应用需求

配置不当可能增加功耗和电磁干扰（EMC）

  • 2MHz：适用于低速信号和普通 IO 功能
  • 10MHz：适用于中速信号，如 I2C 通信
  • 50MHz：适用于高速信号，如 SPI 通信

配置示例：

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;  // 2MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz; // 10MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 50MHz

3. ST库

STM32标准外设库由STMicroelectronics提供的一套用于STM32系列微控制器的软件库（简化对STM32外设的访问和控制，提供了一组易于使用的API函数）

GPIO库函数
初始化和复位
函数说明
void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx)复位指定GPIO端口的配置
void GPIO_AFIODeInit(void)复位所有复用功能相关的配置
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)初始化指定GPIO端口的配置
void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)将GPIO_InitTypeDef结构体初始化为默认值
数据读写
函数说明
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)读取指定引脚的输入数据位
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)读取整个端口的输入数据
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)读取指定引脚的输出数据位
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)读取整个端口的输出数据
输出控制
函数说明
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)将指定引脚设置为高电平
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)将指定引脚设置为低电平
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal)设置指定引脚的电平状态
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal)设置整个端口的电平状态
其他配置
函数说明
void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)锁定指定引脚的配置
void GPIO_EventOutputConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource)配置事件输出引脚
void GPIO_EventOutputCmd(FunctionalState NewState)启用或禁用事件输出功能
void GPIO_PinRemapConfig(uint32_t GPIO_Remap, FunctionalState NewState)配置引脚重映射功能
void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource)配置外部中断线
void GPIO_ETH_MediaInterfaceConfig(uint32_t GPIO_ETH_MediaInterface)配置以太网媒体接口
GPIO 结构体（初始化）

GPIO_InitTypeDef结构体初始化GPIO引脚

typedef struct
{
  uint16_t GPIO_Pin;             /*!< 指定要配置的GPIO引脚。可以是@ref GPIO_pins_define 中的任意值 */
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;  /*!< 指定引脚的速度。可以是@ref GPIOSpeed_TypeDef 中的任意值 */
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    /*!< 指定引脚的模式。可以是@ref GPIOMode_TypeDef 中的任意值 */
} GPIO_InitTypeDef;

引脚速度枚举类型

typedef enum
{ 
  GPIO_Speed_10MHz = 1,
  GPIO_Speed_2MHz, 
  GPIO_Speed_50MHz
} GPIOSpeed_TypeDef;

引脚模式枚举类型

typedef enum
{
  GPIO_Mode_AIN = 0x0,          /*!< 模拟输入模式 */
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, /*!< 浮空输入模式 */
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,         /*!< 下拉输入模式 */
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,         /*!< 上拉输入模式 */
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,      /*!< 开漏输出模式 */
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,      /*!< 推挽输出模式 */
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,       /*!< 复用开漏模式 */
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18        /*!< 复用推挽模式 */
} GPIOMode_TypeDef;

示例：

以下是一个使用库函数初始化GPIO引脚，并配置为推挽输出模式以驱动LED的示例代码：

#include "stm32f10x.h"
​
void GPIO_Config(void) {
    // 启用GPIOD端口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
​
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
​
    // 配置PD0和PD2为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
}
​
int main(void) {
    // 初始化GPIO
    GPIO_Config();
    
    while (1) {
        // 设置高电平，点亮LED
        GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        
        // 设置低电平，熄灭LED
        GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

LED

有机发光二极管（OLED）和无机发光二极管（LED）

LED的本质是一个二极管，当在正极和负极之间施加电压时，电流通过LED，使其发光（LED的亮度与通过它的电流成正比）

LED规格

image-20240808113249388

顺向电流，就是LED的工作电流，不能超过20mA

驱动方式

两种驱动方式：低电平驱动（灌电流）和高电平驱动（拉电流）

低电平驱动（灌电流）

LED正极通过一个限流电阻接到电源，负极接到微控制器的IO口

当IO口输出低电平时，电流从电阻流过，流过LED，进入IO口，LED发光

image-20240808113936301

高电平驱动（拉电流）

LED负极接地，正极通过一个限流电阻接到微控制器的IO口

当IO口输出高电平时，电流从IO口流过，流过电阻，再通过LED接地，LED发光

image-20240808113946694

示例

灌电流模式，4位LED电路原理图

image-20240808114334528
  • LED正极通过一个限流电阻接到VCC3V3，也就是高电平，负极接到IO口
  • 当IO口输出低电平，电流从电阻流过，流过LED，流入IO口，LED就会发光

限流电阻是防止流过LED的电流大于LED的顺向电流最大值

5.数码管

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