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stm32

Forrest2025/6/21大约 21 分钟

stm32

stm32 采取 ARM Cortex-M 内核开发。相同内核意味着编写启动文件、处理中断服务程序、进行堆栈管理的基本逻辑是相通的，ARM 架构是最底层的，各大厂商在内核上添加其他的存储器和外设，做出各大厂商的芯片，然后再把芯片连接成最小系统电路板。我是在做横向的时候遇到了一个完全没啥教程的芯片，然后打算先把 stm32 的教程学了，看看对这个 arm 架构能不能有个比较好的理解。

  • 关于要不要先学 51,有时间就学，学了理解肯定更快，但是江科大的课讲的太好，可以直接跳过 51,直接学 stm32；
  • 关于要不要先学模数电，需要简单了解一点，不然学起来很累

参考课程

名词解释

英文缩写全拼含义
AHBAdvanced High-performance Bus高级高性能总线
APBAdvanced Peripheral Bus高级外设总线
RTCReal-Time Clock实时时钟
RCCReset and Clock Control复位和时钟控制
AFIOAlternate function io复用功能重映射/中断引脚选择
OCOutput Compare输出比较
ICInput Capture输入捕获
CCCapture/Compare捕获/比较

提示

要关注一下单片机的内部结构图，尤其关注总线和外设的挂载方式，比如 stm32,所有的 GPIO 口都是挂载在 APB2 总线上的，调用的时候就要注意用 APB2 总线。

库函数的模板函数

stm32 的库函数内各种外设的函数基本上都是有迹可循的，常见的有如下几种：

  • xxxx_InitTypeDef 用于外设初始化的结构体类型名
  • xxxx_Init() 对某个外设初始化，常常以对应结构体作为参数。
  • xxxx_DeInit() 去初始化，恢复默认配置
  • xxxx_StructInit() 对结构体变量赋默认值
  • xxxx_ITConfig() 使能外设的中断输出
  • xxxx_GetFlagStatus() 读取状态寄存器内状态标志位的值
  • xxxx_ClearFlag() 清空状态标志位
  • xxxx_GetITFlag() 获取中断标志位
  • xxxx_ClearITPendingBit() 清除中断标志位

    最后四个函数的本质是操作状态寄存器，每个外设的状态寄存器里会有对应的状态标志位，比如说串口的状态标志位表示是否收到信息，xxxx_GetFlagStatus() 和 xxxx_ClearFlag()就是对这个标志位操作；最后两个处理的是和中断有关的标志位。

GPIO

模式：开漏输出、推挽输出、模拟输入、上下拉/浮空输入等

上下拉/浮空输入都是数字信号的输入模式，区别在于当引脚悬空时，上拉输入模式下内部连接上拉电阻，默认为高电平；下拉模式下内部连接下拉电阻，默认为低电平；浮空输入下，引脚悬空时电平高低无法确定

配置方法：

  1. 使能时钟 RCC_APB1.2PeriphClockCmd()
  2. 配置结构体，stm32 中采用GPIO_InitTypeDef结构体类型，一般要定义该结构体下的GPIO_Mode，GPIO_Pin，GPIO_Speed这三个参数。Pin 口如果有多个，用|连接，比如：GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2
  3. 初始化：GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure)
  4. 指定对应操作

引脚重映射

  1. 开启 AFIO 时钟
  2. GPIO_PinRemapConfig() 配置引脚重映射
  3. 查数据手册，查看重映射方式，确认GPIO_PinRemapConfig()函数的参数；注意有时要解除调试端口（JTRST/JTAG/SWD）的复用，但是解除调试端口后，就无法通过 TLink 烧录程序，只能用串口烧录，得注意。

中断

  • 中断 ：在主程序运行过程中，出现了特定的中断出触发条件（中断源），使得 CPU 暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。
  • 中断优先级：当有多个中断源同时申请中断时，CPU 会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应紧急中断源
  • stm32 中利用 NVIC（嵌套中断向量控制器）管理中断，每个中断通道拥有 16 个可编程的优先等级，可对优先级进行分组，进一步设置抢占优先级（Pre-Emption Priority）和响应优先级(Subpriority)

抢占优先级高的可以中断嵌套，响应优先级高的可以优先排队，两者均相同的按中断号排队。NVIC 对中断优先级进行了分组，以此区分抢占优先级和响应优先级。

中断源（包括EXTI，TIM，ADC，USART） -> NVIC -> CPU，实际运行工作中，会有很多的外设产生中断请求，这时候需要由 NVIC 通过中断优先级裁决哪一个中断优先处理，然后把这个中断再发送给 CPU 做对应处理。

EXTI（External Interrupt） 外部中断

  • 监测指定 GPIO 电平信号，当 GPIO 产生电平变化时，EXTI 向 NVIC 发送中断申请，经过 NVIC 裁决后中断 CPU 主程序，使 CPU 开始响应 EXIT 对应的中断程序。
  • 支持所有的 GPIO 口，但是相同的 Pin 不能同时触发中断；
  • 通道数：16 个 GPIO_Pin， 外加 PVD 输出、RTC 闹钟、USB 唤醒、以太网唤醒
  • 响应方式：中断响应/事件响应
  • 触发方式：上下边沿触发/双边沿触发/软件触发

EXTI 中断结构：

其中，AFIO 用于选择 GPIO 引脚，比如 A0,B0,C0,D0,经过 AFIO 选择后，只有一个能接到 EXTI 的通道 0 上。

旋转编码器、光敏传感器这种产生连续信号波且转瞬即逝波形的外设，建议用外部中断处理，而按键触发，考虑采用 GPIO 输入读取，因为这样能比较好地处理按键抖动和松手检测的问题。

配置方法

  1. 打开对应外设时钟，包括：GPIO，AFIO，注意 EXTI，NVIC 的时钟不用单独开启，保持默认打开
  2. 配置 GPIO，AFIO

    AFIO 没有专门的库函数，包含在 GPIO 的库函数里了，其中GPIO_PinRemapConfig()用于引脚的重映射；GPIO_EXTILineConfig()用于 EXTI 的通道选择，具体参数见库函数说明。

  3. 配置 EXTI 的响应通道和响应方式，包括：EXTI_Line, EXTI_LineCmd, EXTI_Mode, EXTI_Trigger
  4. 配置 NVIC，包括配置优先级分组 （一般选用 2 分组） 和初始化 NVIC
  5. 写中断函数，中断函数的名字需要参考启动文件中的startup_stm32f10x_md.s，参考其中断向量表中以EXTI开头的函数名，注意中断函数是无参无返回值的。
    1. 判断中断标志位，在中断函数里使用EXTI_GetITStatus()函数

      最重要的一步，不同的中断标志位应该采取不同的操作，所以要先 if 判断标志位，再写需要的操作

    2. 写中断时需要的操作
    3. 清除中断标志位

      别漏了

TIM 定时器中断

定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断。内容极多。

主要功能包括：

  1. 定时中断
  2. 输出比较
  3. 输入捕获

定时器类型

定时器类型功能
高级定时器拥有通用定时器的全部功能，并且额外具有重复计数器，死区生成，互补输出，刹车输入等针对无刷电机设计的功能
通用定时器拥有基本定时器的全部功能，并额外具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等功能
基本定时器拥有定时中断、主模式触发 DAC 功能，时钟源只能选择内部时钟，其他两种类型可以选择外部时钟

TIM 中断结构

基本定时器结构

  • CK_PSC 预分频器的输入时钟，选内部时钟一般是 72MHz
  • CNT_EN 计数器使能，高电平计数器正常运行
  • CK_CNT 计数器时钟

时序图细节解析

定时时间的计算如下，后面是解释说明。`

CK_CNT_OV=CK_CNTARR+1=CK_PSC(PSC+1)(ARR+1)CK\_ CNT\_ OV = \frac{CK\_ CNT}{ARR + 1} = \frac{CK\_ PSC}{(PSC+1)(ARR+1)}

当预分频器的参数从 0 变到 1 时，计数器的时序图

CK_CNT=CK_PSCPSC+1CK\_ CNT= \frac{CK\_ PSC}{PSC+1}

  • PSC 分频系数
  • 计数器寄存器 计数用，下图中寄存器跟随时钟上升沿递增计数
  • 更新事件 在 FC 之后达到 ARR 重装值，下一个时钟来临时计数器清 0，更新事件产生脉冲
  • 预分频控制寄存器 为预分频寄存器提供了一种缓冲机制，在任意时刻，程序将预分频系数从 0 改成 1,此时并不会马上对预分频系数进行更改，而是先更改影子寄存器（或者叫缓冲寄存器），等待这个循环周期结束之后（即：计数器达到 ARR 自动重装值后），才会将预分频系数正式改为 1，防止了一些不必要的麻烦。
  • 计数器寄存器的计数频率，是靠另一个计数器实现的，这个计数器是图中最下方的预分频计数器，当预分频系数为 0 时，不动；当预分频计数器为 1 时，0,1,0,1 交替计数，计数到 1 时向计数器寄存器发送递增信号，计数器寄存器递增+1。
内部时钟分频因子为 2 时，计数器的时序图
  • CK_INT 内部时钟 72MHz
  • CNT_EN 时钟使能，高电平启动
  • CK_CNT 计数器时钟
  • 等计数器寄存器递增到 ARR 重装值时，计数器溢出，更新事件产生一个脉冲信号，更新中断标志位置 1,让中断控制器去 NVIC 申请中断。所以我们要的定时，就是计数器溢出的两个脉冲之间的距离，把这个频率称为CK_CNT_OV。所以在设置定时的时候，我们主要要算的就是这个CK_CNT_OV，就是要根据内部时钟频率，计算出PSC和ARR的具体取值。

这样，这个定时时间的计算就是：

CK_CNT_OV=CK_CNTARR+1=CK_PSC(PSC+1)(ARR+1)CK\_ CNT\_ OV = \frac{CK\_ CNT}{ARR + 1} = \frac{CK\_ PSC}{(PSC+1)(ARR+1)}

定时中断

  1. 使能 RCC 时钟
  2. 选择时钟源为内部时钟模式
    • void TIM_InternalClockConfig(); 配置内部时钟
    • void TIM_ITRxExternalClockConfig(); 配置其他定时器的外部时钟模式 1
    • void TIM_TIxExternalClockConfig();选择捕获通道的外部时钟模式 1
    • void TIM_ETRClockMode1Config(); 选择 ETR 外部时钟模式 1
    • void TIM_ETRClockMode2Config(); 选择 ETR 外部时钟模式 2
    • void TIM_ETRConfig(); 单独配置 ETR 引脚的极性、滤波器等
  3. 时基单元初始化TIM_TimeBaseInit()：预分频器，计数器，自动重装器，用结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef配置
    • 这个结构体里面有一个TIM_RepetitionCounter这个值，是高级计数器才有的，其他计数器不用，直接赋值给 0 就行
    • TIM_Period 指的是 ARR 自动重装器的值，数字格式为int，取值范围在 0~65535
    • TIM_Prescaler 指的是 PSC 预分频器的值，数字格式为int，取值范围在 0~65535
  4. 配置输出中断控制TIM_ITConfig()
  5. 配置 NVIC，打开定时器中断通道
  6. 定时器启动TIM_Cmd()，写定时器中断函数

其他函数：

  • TIM_PrescalerConfig() 单独修改 PSC 预分频值
  • TIM_CounterModeConfig() 单独修改计数器计数模式
  • TIM_ARRPreloadConfig() 单独修改自动重装器预装功能
  • TIM_SetCounter() 给计数器写入一个值
  • TIM_SetAutoreload() 给自动重装器写入一个值
  • TIM_GetCounter() 获取当前计数器的值
  • TIM_GetPrescaler() 获取当前预分频器的值

输出比较 OC（Output Compare）

用于输出 PWM 波形，控制电机。

输出比较通过比较 CNT 计数器和 CCR 寄存器值的关系，对输出电平进行置 1、置 0 或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的 PWM 波形。（CNT 就是前面说的定时跳变的计数器，CCR 是有一个预设的值，CNT 计数达到 CCR 了之后，就会让输出依次置 1,置 0）

输出比较模式表格
输出比较模式表格
PWM模式基本结构
PWM模式基本结构

时基单元之前的时钟选择，和定时中断的配置一致，与之区别是最后不需要配置中断，而是配置输出比较单元和 IO 口。

PWM 相关参数：

物理量表达式计算方法
频率1/Ts1/T_sf=CK_PSC(PSC+1)(ARR+1)f=\frac{CK\_ PSC}{(PSC+1)(ARR+1)}
占空比TON/TsT_{ON}/T_sDuty=CCRARR+1Duty = \frac{CCR}{ARR + 1}
分辨率占空比变化步距Reso=1/(ARR+1)Reso = 1/(ARR+1)

PWM 波形频率与占空比的调整

  • 通过调整 PSC 以调整 PWM 的频率，利用TIM_PrescalerConfig()函数
  • 通过调整 CCR 以调整 PWM 的占空比，利用TIM_SetComparex()函数
  • 而 ARR 是确定分辨率，如果分辨率取 1%，则直接定 ARR 为100-1

配置方法

  1. 打开时钟
  2. 配置输出比较单元
    • TIM_OCxInit() 输出比较单元初始化，利用TIM_OCInitTypeDef结构体初始化
      • TIM_OCMode 设置输出比较的模式
      • TIM_OCPolarity 设置输出比较的极性
      • TIM_OutputState 设置输出使能
      • TIM_Pulse 设置 CCR，决定了占空比
    • TIM_SelectOCxM() 选择输出比较模式
    • TIM_SetComparex() 更改 CCR 的值进而占空比，可以由此实现 PWM 占空比的连续变化
  3. 查引脚定义表定义 GPIO 口，定时器控制引脚需要使用复用开漏/推挽输出模式。

输入捕获 IC （Input Capture）

输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时，当前 CNT 的值将被锁存到 CCR 中，可用于测量 PWM 波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。可配置为 PWMI 模式，同时测量频率和占空比；可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量

输入捕获测量频率采用测周法，即：测量两个上升沿到达之间的间隔时间。

PWMI 模式

PWMI模式基本结构
PWMI模式基本结构

一个信号通给两个数据选择器，使得两个通道同时测量占空比和频率成为了可能。

配置方法

  1. RCC 开启 GPIO 和 TIM 的时钟
  2. GPIO 初始化为输入模式
  3. 配置时基单元
  4. 配置输入捕获单元，可用结构体TIM_ICInitTypeDef进行配置
    • TIM_ICInit() 配置单通道
    • TIM_PWMIInit() 配置交叉的双通道
  5. 选择从模式的触发源TIM_SelectInputTrigger()，触发源为 TI1FP1
  6. 选择触发之后选择的操作TIM_SelectSlaveMode()
  7. 定时器使能TIM_Cmd()

主从触发模式

  • 主模式是将定时器的内部信号，映射到 TRGO 引脚，进而驱动其他外设
  • 从模式是接收其他外设或者自身外设的一些信号，映射到 TRGI 引脚，用于控制自身定时器的运行（如复位、关闭等）
  • 具体可以用于哪些信号和哪些外设，查手册吧
  • 主从模式的操作由硬件自动化进行，软件上只需要一行代码解决。

ADC 模数转换器

ADC 可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁。

  • stm32 提供 12 位逐次逼近型 ADC
  • 1us 转换时间
  • 输入电压范围：0-3.3V
  • 转换结果范围：0-4095
  • 规则组和注入组两个转换单元
  • 模拟看门狗自动监测输入电压范围

注入组和规则组是 stm32 提供的两种转换方式，目前还没学习其区别。但是，注入组有 4 个数据寄存器，规则组只有 1 个，所以需要配合 DMA 及时地转运数据，防止数据被覆盖。

转换方式备注
ADC模拟数字转换器
DAC数字模拟转换器
PWM调制波信号生成，也可以实现数字转模拟，比 DAC 常用
ADC基本结构
ADC基本结构

转换模式

  • 单次转换 or 连续转换
    • 单次转换：转换结束后会停下，不会继续转换，下次转化需要手动开启
    • 连续转换：转换结束后不停下，继续转换，可以随时在寄存器读取 ADC 的值
  • 扫描模式 or 非扫描模式
    • 扫描模式：多个通道一起转换
    • 非扫描模式：单个通道独立转换

配置方法

  1. 打开 GPIO，ADC 和 RCC ADC 分频器的时钟RCC_ADCCLKConfig()
  2. 配置 GPIO，设置为模拟输入模式
  3. 配置多路开关
  4. 配置 ADC 转换器，用结构体配置，参数很多
  5. 配置 ADC 校准
  6. 开关控制ADC_Cmd()供电使能

通信

CAN 通信

CAN 通信的原理和细节，放在博客的另一个页面中，点此跳转

stm32 的 CAN 通信具体实现细节，见此视频

CAN结构框图
CAN结构框图

FIFO 是先进先出寄存器，相当于一个 Queue 数据结构

过滤器配置

每个过滤器由两个 32 位寄存器组成：R1[31:0],R2[31:0]

标志位设置作用置 0置 1
FSCx位宽设置16 位32 位
FBMx模式设置屏蔽模式列表模式
FFAx关联设置FIFO 0FIFO 1
FACTx激活设置禁用启用

配置方法

  • 自发自收模式配置
  1. 打开 RCC 时钟，包括 GPIO，CAN1
  2. GPIO 初始化，CAN_TX 引脚初始化为复用推挽输出模式，CAN_RX 为上拉输入模式
  3. CAN 外设初始化，采用结构体配置
  4. 过滤器初始化，采用结构体配置
  5. 报文数据写入发送结构体，调用发送函数
  6. 调用检查 FIFO 状态函数，报文数据存入到接收的结构体中，读取结构体即可。

USART 串口通信

  • 电路连接：两个设备的 TX 和 RX 引脚要交叉连接
  • 可配置：
    • 波特率配置：=fPCLK2/1/(16×DIV)=f_{PCLK2/1}/(16\times DIV)，软件通过配置 DIV 来设定波特率，PCLK 的时钟一般为 72MHz
    • 数据位长度（8/9），奇偶位长度（0.5/1/1.5/2）
    • 可选校验位（无校验/奇偶校验）
    • 一般来说选了无校验，就选 8 个校验位，因为一个字节对应 8 位；选了奇偶校验，就选 9 个校验位（一个字节+一个校验位）
USART-简化结构图
USART-简化结构图

配置方法

  • 打开串口 USART 和 GPIO 口时钟
  • GPIO 初始化,TX 引脚选择推挽输出模式，RX 引脚选择输入模式
  • USART 初始化，使用结构体USART_InitTypeDef配置
    • USART_BaudRate可以直接写波特率，库函数里会计算 DIV 并且写进 BRR 寄存器
    • USART_Mode 选择串口工作模式，如果既需要发送，又需要接收，就写USART_RX | USART_TX
    • USART_Parity 选择奇偶校验
  • 配置相关中断USART_ITConfig()（若有需要，可选）
  • USART_Cmd()开关控制

一般最常选的是 8 数据位，None 无校验，1 位停止位，人称8N1

  • 发送数据和接收数据直接调用库函数USART_SendData()和USART_ReceiveData()就行
    • 注意发送完数据要读取 TXE 寄存器标志位，等待数据发送完成，再进行下一次操作
void Serial_SendByte(uint8_t Byte){
    USART_SendData(USART1, Byte);
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成
}
  • 读取发送和接收状态->读取对应寄存器的标志位

看门狗

  • 独立看门狗（IWDG）：独立时钟，对时间精度要求低
  • 窗口看门狗（WWDG）：要求看门狗在精确计时窗口起作用

看门狗可以监控程序的运行状态，当程序因为设计漏洞、硬件故障、电磁干扰等原因，出现卡死或跑飞现象时，看门狗能及时复位程序，避免程序陷入长时间罢工状态。本质上是一个定时器，当指定时间范围内，程序没有执行喂狗（重置计数器）时，看门狗硬件电路就自动产生复位信号。

DMA 转运

DMA结构框图
DMA结构框图
  • M2M 置 1 为软件触发，一般用于存储器与存储器之间的转运，要求尽可能快地转运完；置 0 为硬件触发，一般用于外设与存储器的转运，在硬件达到某个时机时进行转运。
  • 外设和存储器站点各有三个参数进行配置，包括起始地址 数据宽度 地址是否自增，再由方向参数指定转运方向。

    这里两个站点的配置不一定是外设到存储器，也可以从存储器到存储器，取决于两个站点的初始地址配置在哪，可以不用纠结“外设”和“存储器”，理解为两个 AB 站点的配置就可以，很宽泛的。

  • 传输计数器是一个自减计数器。如果自减计数器已经减到 0,想再写一个数进去，此时需要先关闭 DMA 使能，再写传输计数器，最后再打开 DMA 使能。

PID 倒立摆控制项目

电机定速控制

  1. PID 控制的输出是 PWM，可以看作是驱动力大小；调控量可以是位置/速度。如果是速度，要注意，PWM 的极性和编码器极性相符，否则会导致 PID 进入正反馈，电机在受到一点扰动后直接以最高速旋转。出现正反馈时要考虑是不是极性问题。
  2. PID 控制的输出量要进行一定限幅，限幅范围取决于输出量的物理含义，比如 PWM 就限幅在-100~100
  3. PID 三个参数的取值范围，取决于输入值范围/输出值范围，每个项目不一样，要针对性考虑。
  4. PID 调参顺序一般是 P、I、D。
  5. 在调参的时候，刚开始设置 Ki 的值是 0，所以需要对累积误差做出规定，只有当 Ki 不等于 0,也就是存在积分调控的时候，才累计计算误差。否则，如果程序进行了很长时间都没有 Ki 输入，这个时候误差累计很大了，再突然给 Ki 值，就会存在一个突然的输出，容易崩坏硬件。
  6. 在突然加载或减载的过程中，会使得 PID 输出有个向上过冲或者向下过冲的尖峰，这个是闭环控制的普遍现象。可以考虑加入微分项解决。
  7. 增量式 PID 只改ΔOut\Delta Out，所以如果调控过程中，让 KpKiKd 都等于 0,这个时候再更改 target 的值，不会使电机再跟踪目标值，也就是说这个时候电机转化为手动控制！而增量式的好处在于：能够平滑地使电机从手动控制转为自动控制。且增量式不会受到积分饱和的影响。

电机定位置控制

  1. 定位置控制的稳态误差很小，因为输出值为 0 时，电机位置不会自发的偏移，但是速度会因为摩擦而下降，所以定速控制有稳态误差，定位置控制很小。这个稳态误差的来源是，因为电机在力很小的时候，会由于摩擦导致转动不起来。所以稳态误差有两类：1. 输出值为 0 时，系统实际测量值的自发偏移；2. 输出值很小时，无法对系统实际测量值造成影响。
  2. 增量式做定位置控制时，会引入历史信息。一旦历史上有噪声，单纯的比例控制就无法恢复这个误差，需要引入积分项，是增量式的缺陷所在。

积分分离

出现现象：定位置控制时，如果加入 I 项，会出现超调；但是定速度控制，加入 I 项波形很完美。

原因；定位置控制，保持位置恒定，不需要有输出力，I 项在逼近目标值积累的误差，需要用超调来抵消；而定速控制，保持速度恒定，需要持续输出力，I 项在逼近目标值积累的误差产生的力，和需要抵抗的摩擦力抵消了。

  • 积分分离实现思路：对误差大小进行判断，如果误差绝对值小于指定阀值，则加入积分项作用，反之，则直接将误差积分清零或不加入积分项作用

倒立摆双环 PID 控制

  • 双环的调控周期，一般是外环的调控周期>=内环的调控周期
  • 双环的核心：外环的输出是内环的目标值。
  • 调参：因为内环可以独立工作，所以要先把内环参数调好，再调整外环。
希望你能在此有所收获
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