STM32之HAL库开发（一）

HAL 库

STM32CubeMX

  • 简介及下载

    在 CubeMX 上，通过傻瓜化的操作便能实现相关配置，最终能够生成 C 语言代码，支持多种工具链，比如 MDK、IAR For ARM、TrueStudio 等 省去了我们配置各种外设的时间，大大的节省了时间。

    在蓝桥杯中，可以通过使用 STM32CubeMX 实现 HAL 库，达成快速编写代码的效果。

    其 TM32CubeMX 的使用需要 JAVA 支持。

  • 安装 HAL 库

    • 在线安装

      打开安装好的 STM32CubeMX 软件 点上面的 Help –> Manage embedded software packages

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      会跳出来一个选择型号界面 勾选上你要安装的 HAL 库， 点击“Install Now” 直到安装成功。 如下图：

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    • 离线安装（需掌握）

      蓝桥杯中若主办方提供的固件包有误，需使用离线安装。

      直接导入安装包 Help –> Manage embedded software packages –> From Local 选择离线包即可

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  • 新建工程方式

    在主界面选择 File –> New Project 或者直接点击 ACCEE TO MCU SELECTOR

    直接搜索型号

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    通过可视化界面快速设置引脚，无需进行枯燥的代码编写

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    淡黄色表示不可配置引脚 电源专用引脚以黄色突出显示。其配置不能更改

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    深黄色表示你配置了一个 I/O 口的功能，但是没有初始化相对应的外设功能 引脚处于 no mode 状态

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    绿色表示配置成功

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    点击 System Core –> SYS –> Debug 将其使能为 Serial Wrire，否则无法使用 STLink 烧录代码

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    接下来需要配置时钟树：

    点击 System Core –> RCC –> HSE 将其使能，否则无法使用外部高速时钟

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    点击 Clock Configuration 切换至时钟树页面进行配置

    其中需要将系统时间配平为 72MHZ , APB1 为 TIM2 - 4、5（普通时钟），APB2 为 TIM1\8 （高级时钟）

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    点击 Project Manager 进行工程文件设置

    其中 Toolchain / IDE 需要设置为 MDK-ARM，存储目录不能有中文

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    然后点击 Code Generator，进行进一步配置：

    注：选择 不复制文件，直接从软件包存放位置导入 .C 和 .H 文件 的话，当工程复制到其他电脑上或者软件包位置改变，就需要修改相对应的路径

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    然后点击 GENERATE CODE 创建工程

    所有自己编写的代码请放在/_ USER CODE BEGIN XXX _/ 和 /_ USER CODE END XXX _/之间

    这样我们修改工程的时候你自己写的代码就不会被删除

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GPIO

GPIO 工作模式

  • 输入模式
    GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
    GPIO_Mode_IPU 上拉输入
    GPIO_Mode_IPD 下拉输入
    GPIO_Mode_AIN 模拟输入

  • 输出模式
    GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
    GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
    GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
    GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

  • 输出速度
    2MHZ 低速
    25MHZ 中速
    50MHZ 快速
    100MHZ 高速

GPIO 工作模式含义

  • 浮空输入
    I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU 直接读取 I/O 口电平，I/O 的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

  • 上拉输入
    IO 内部接上拉电阻，此时如果 IO 口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO 口默认为高电平 如果 I/O 口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU 读取到的就是低电平

    STM32 的内部上拉是”弱上拉“，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

  • 下拉输入
    IO 内部接下拉电阻，此时如果 IO 口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO 口默认为低电平 如果 I/O 口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU 读取到的就是高电平

  • 模拟输入
    当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作”模拟输入”功能，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入 ADC 模块，并且输入数据寄存器为空 ，CPU 不能在输入数据寄存器上读到引脚状态

    当 GPIO 用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出

    除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，

  • 开漏输出
    若控制输出为 0 (低电平)，I/O 端口的电平就是低电平。

    若控制输出为 1 (高电平)，此时 I/O 端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由 I/O 端口外部的上拉或者下拉决定 如果没有上拉或者下拉 IO 口就处于悬空状态。

  • 推挽输出
    若控制输出为 0 (低电平)，I/O 端口的电平就是低电平。

    若控制输出为 1 (高电平)，I/O 端口的电平就是高电平。外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时 IO 口电平
    此时施密特触发器是打开的，即输入可用。

  • 复用开漏输出
    GPIO 复用为其他外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；
    输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

  • 复用推挽输出
    GPIO 复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；
    输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

HAL 库 GPIO 函数库

stm32f4xx_hal_gpio.h中 一共定义有 8 个函数

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void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);
void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin);

  • GPIO 初始化

    void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

    示例：HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  • 在函数初始化之后的引脚恢复成默认的状态，即各个寄存器复位时的值

    void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_DeInit(GPIOC, GPIO_PIN_4);

  • 读取引脚的电平状态、函数返回值为 0 或 1

    GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_4)

  • 引脚电平写 0 或 1

    void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);

    示例：HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_4,0);

  • 翻转引脚的电平状态

    void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_4); 常用在 LED 上

  • 锁住引脚电平

    比如说一个管脚的当前状态是 1，当这个管脚电平变化时保持锁定时的值。

    HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_LockPin(GPIOC, GPIO_PIN_4);

  • 外部中断服务函数，清除中断标志位

    void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_4);

  • 中断回调函数

    void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin);

    示例：HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_PIN_4);

  • 按键消抖

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    void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
      if(GPIO_Pin==KEY1_GPIO_PIN){

        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO,KEY1_GPIO_PIN)==KEY1_DOWN_LEVEL){
          BEEP_TOGGLE;
          LED1_ON;
          LED2_ON;
          LED3_ON;
        }

        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(KEY1_GPIO_PIN);
      }
      else if(GPIO_Pin==KEY2_GPIO_PIN){

        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO,KEY2_GPIO_PIN)==KEY2_DOWN_LEVEL){
          BEEP_TOGGLE;
          LED1_OFF;
          LED2_OFF;
          LED3_OFF;
        }

        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(KEY2_GPIO_PIN);
      }
    }

UART

STM32CubeMX 设置

点击 USATR1 –> 设置 MODE 为 Asynchronous (异步通信) –> 设置波特率 –> 设置 GPIO 引脚 (TX\RX) –> 使能中断

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HAL 库 UART 函数库

UART 结构体定义：UART_HandleTypeDef huart1;

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  • 串口发送/接收函数

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    HAL_UART_Transmit();          //串口发送数据，使用超时管理机制
    HAL_UART_Receive();           //串口接收数据，使用超时管理机制
    HAL_UART_Transmit_IT()        //串口中断模式发送
    HAL_UART_Receive_IT();        //串口中断模式接收
    HAL_UART_Transmit_DMA();      //串口DMA模式发送
    HAL_UART_Transmit_DMA();      //串口DMA模式接收

  • 发送数据

    如果超时没发送完成，则不再发送，返回超时标志（HAL_TIMEOUT）

    HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

    UART_HandleTypeDef *huart UATR 的别名 (如: UART_HandleTypeDef huart1; 别名就是 huart1)

    *pData 需要发送的数据

    Size 发送的字节数

    Timeout 最大发送时间 (超时时间)

    示例：

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    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)ZZX, 3, 0xffff);   //串口发送三个字节数据，最大传输时间0xffff

  • 中断接收数据

    串口中断接收，以中断方式接收指定长度数据。

    HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

    UART_HandleTypeDef *huart UATR 的别名 (如: UART_HandleTypeDef huart1; 别名就是 huart1)

    *pData 需要发送的数据

    Size 发送的字节数

    示例：

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    HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(uint8_t *)&value,1);   //中断接收一个字符，存储到value中

  • 串口中断函数

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    HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);             //串口中断处理函数
    HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);         //串口发送中断回调函数
    HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);     //串口发送一半中断回调函数（用的较少）
    HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);         //串口接收中断回调函数
    HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);     //串口接收一半回调函数（用的较少）
    HAL_UART_ErrorCallback();                                   //串口接收错误函数

  • 中断回调函数

    串口中断接收完成之后，会进入该函数，该函数为空函数，用户需自行修改

    HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

    UART_HandleTypeDef *huart UATR 的别名 (如: UART_HandleTypeDef huart1; 别名就是 huart1)

  • 中断处理函数

    对接收到的数据进行判断和处理 判断是发送中断还是接收中断，然后进行数据的发送和接收

    HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);

    如果接收数据，则会进行接收中断处理函数：

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    if((tmp_flag != RESET) && (tmp_it_source != RESET))
    {
      UART_Receive_IT(huart);
    }

    如果发送数据，则会进行发送中断处理函数：

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    if (((isrflags & USART_SR_TXE) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_TXEIE) != RESET))
    {
      UART_Transmit_IT(huart);
      return;
    }

  • 查询函数

    HAL_UART_GetState(); 判断 UART 的接收是否结束，或者发送数据是否忙碌

    示例：

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    while(HAL_UART_GetState(&huart4) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX)    //检测 UART 发送结束

HAL 库重定义 printf 函数

在 stm32f4xx_hal.c 中包含 #include <stdio.h>

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#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>
extern UART_HandleTypeDef huart1;   //声明串口

在 stm32f4xx_hal.c 中重写 fget 和 fput 函数

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int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

在 main.c 中添加

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 #define RXBUFFERSIZE  256
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE];
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while (1)
{
  /* USER CODE END WHILE */
	printf("123456\n");
	HAL_Delay(1000);
  /* USER CODE BEGIN 3 */
}

之后便可以使用 Printf 函数和 Scanf，getchar 函数

HAL 库 UART 接收中断

在 main.c 中添加下列定义

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#include <string.h>

#define RXBUFFERSIZE  256        //最大接收字节数
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE];     //接收数据
uint8_t aRxBuffer;			         //接收中断缓冲
uint8_t Uart1_Rx_Cnt = 0;		     //接收缓冲计数

在 main()主函数中，调用一次接收中断函数

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/* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);
/* USER CODE END 2 */

在 main.c 下方添加中断回调函数

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/* USER CODE BEGIN 4 */

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
   */

	if(Uart1_Rx_Cnt >= 255)  //溢出判断
	{
		Uart1_Rx_Cnt = 0;
		memset(RxBuffer,0x00,sizeof(RxBuffer));
		HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"数据溢出", 10,0xFFFF);

	}
	else
	{
		RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt++] = aRxBuffer;   //接收数据转存

		if((RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] == 0x0A)&&(RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] == 0x0D)) //判断结束位
		{
			HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, Uart1_Rx_Cnt,0xFFFF); //将收到的信息发送出去
            while(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX);//检测UART发送结束
			Uart1_Rx_Cnt = 0;
			memset(RxBuffer,0x00,sizeof(RxBuffer)); //清空数组
		}
	}

	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);   //再开启接收中断
}
/* USER CODE END 4 */

随后便可在 XCOM(或其他串口助手) 中接收到发送的数据。

HAL 库 UART 接收帧头帧尾

在 main.c 中添加下列定义

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#include <string.h>

#define RXBUFFERSIZE 256
extern uint8_t aRxBuffer;
extern char RxBuffer[RXBUFFERSIZE];

在 usart.c 中添加下列定义

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#define RXBUFFERSIZE 256
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE];
uint8_t Uart_Rx_Cnt = 0;
uint8_t aRxBuffer;
uint8_t flag = 0;

在 main() 主函数中，调用一次接收中断函数

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/* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);
/* USER CODE END 2 */

在 usart.c 中重定义中断接收函数

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void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){

	if(flag == 0 && aRxBuffer == '@'){
		flag++;
	}       //  帧头

	else if(flag == 1){
		if(aRxBuffer == '#'){
			flag++;
		}     //  帧尾

		else{
			RxBuffer[Uart_Rx_Cnt++] = aRxBuffer;
		}
	}

	else if(flag == 2){
		if(aRxBuffer == '&'){
			flag = 0;
			RxBuffer[Uart_Rx_Cnt] = '\n';
			Uart_Rx_Cnt = 0;
		}     //  帧尾

		else{
			flag = 0;
			Uart_Rx_Cnt = 0;
			memset(RxBuffer, 0, sizeof(RxBuffer));
		}
	}

	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);

}

PWM

工作原理

  • SMT32F1 系列共有 8 个定时器：

    高级定时器：TIM1、TIM8 (APB2) (可同时产生 7 路输出)

    通用定时器：TIM2 - TIM5 (APB1)

    基本定时器：TIM6、TIM7 (不可以产生 PWM 输出)

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在 PWM 输出模式下，除了 CNT（计数器当前值）、ARR（自动重装载值）之外，还多了一个值 CCRx（捕获/比较寄存器值）

当 CNT 小于 CCRx 时，TIMx_CHx 通道输出低电平；

当 CNT 等于或大于 CCRx 时，TIMx_CHx 通道输出高电平。

TIMx_ARR 寄存器确定 PWM 频率

TIMx_CCRx 寄存器确定占空比

STM32CubeMX 设置

  • 设置 RCC

    设置高速外部时钟 HSE 选择外部时钟源

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  • 设置定时器

    Channel1~4 就是设置定时器通道的功能 (输入捕获、输出比较、PWM 输出、单脉冲模式)

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    Mode 选择 PWM 模式 1
    Pulse (占空比值) 先给 0
    Fast Mode PWM 脉冲快速模式 ： 和我们配置无关，不使能
    PWM 极性： 设置为低电平
    注: 由于 LED 是低电平点亮，所以我们把极性设置为 low

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  • PWM 频率

    Fpwm =Tclk / ((arr+1)*(psc+1))(单位：Hz)

    arr 是计数器值
    psc 是预分频值

  • 占空比

    duty circle = TIM3->CCR1 / arr(单位：%)

    TIM3->CCR1 用户设定值

比如：定时器频率 Tclk = 72MHZ arr=499 psc=71
那么 PWM 频率就是 720000 / 500 / 72= 2000Hz，即 2KHz
arr = 499 ,TIM3 -> CCR = 250 则 pwm 的占空比为 50%

改 CCR1 可以修改占空比，修改 arr 可以修改频率

  • 案例：

    使能 TIM3 的 PWM Channel1 输出：

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    /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
    /* USER CODE END 2 */

    修改占空比：

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    __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmVal);

    其中, &htim3 为 TIM3, TIM_CHANNEL_1 为 PWM Channel1, pwmVal 为占空比,

    由于 arr = 499, 则最大占空比为（499 + 1）， 即 500 为 100%。

    直接将 LED 接入 PWM， 则占空比表示灯泡的亮度， 占空比越大， LED 越亮。