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单片机编程的原理

编程的目的是，通过配置stm32的外设，来实现相应的功能。
注意在操作外设之前必须使能时钟。

GPIO

在STM32中，所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的。

其中

• 寄存器是一个特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写。
• 驱动器负责增大驱动能力。

GPIO电路图

可配置为8种输入输出模式。

在输出模式下，输入模式也是有效的；
在输入模式下，输出模式无效。

中断

NVIC是一个内核外设，用来分配优先级和管理中断

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；
抢占优先级和响应优先级均相同的按中断号排队。

EXTI外部中断

大致来说，就是监控电平跳变的信号触发GPIO口的中断。
具体来说
1、EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序
2、支持的触发方式：上升沿/下降沿/双边沿/软件触发
3、支持的GPIO口：所有GPIO口，但相同的Pin不能同时触发中断
4、通道数：16个GPIO_Pin，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒
5、触发响应方式：中断响应/事件响应

打开RCC时钟（GPIO和AFIO）；
配置GPIO为输入模式；
配置AFIO（接线）；
配置EXTI，设置线路，选择边沿触发方式，选择触发响应方式（中断响应）；
配置NVIC（内核的外设无需时钟），设置优先级分组，初始化NVIC。

void CountSensor_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);
	
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line14;
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);   // 优先级分组
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;  
	// 指定中断通道开启或关闭
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

uint16_t CountSensor_Get(void)
{
	return CountSensor_Count;
}

// 指定中断通道的中断函数
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) == SET)
	{
		/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
		if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_14) == 0)
		{
			CountSensor_Count ++;
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);  // 清除中断标志位
	}
}

定时器中断、串口中断

下面介绍

定时器

定时器可以对输入的时钟进行计数，在计数值达到设定值时触发中断。
基本定时器 = 16为计数器 + 预分频器 + 自动重装寄存器（时基单元）

通用定时器

无论是什么定时器，内部的基准时钟都是72MHz

定时器中断配置过程

打开RCC时钟；
配置时基单元； // 如果只需要定时器配置到这里就结束
配置输出中断控制，允许更新中断输出到NVIC；
配置NVIC，在NVIC种打开定时器中断的通道，并分配优先级；
最后使能时基单元中的定时器。

决定定时时间的参数为结构体TIM_Period和结构体TIM_Prescaler
计数器溢出频率（定时频率）= 72M/(PSC+1)/(ARR+1)
如果需要1hz，则代码如下

上述代码红色框部分为 分频系数ARR=10000-1; PSC=7200-1，在72M/7200 = 10k的频率下，计10000个数，就是1s。

定时器中断也可以产生pwm波：设置定时器中断，在中断里手动计数，手动翻转电平。
定时器中断也可以完成输入捕获：来个外部中断，在中断里手动把CNT取出来，放在变量里面。
定时器中断也可以完成编码器接口的硬件功能：在中断中，手动自增或自减计数。
以上都是消耗软件资源

通用定时器输出比较功能：PWM波的生成

输出比较可以通过比较CNT和CCR（捕获比较寄存器）值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，从而输出。
使用硬件资源（CCR）来输出PWM波不需要中断，只需要比较计数器和寄存器的值就行了

同一个定时器可以通过不同的通道来输出PWM，具体哪个通道通过函数配置来实现。

通过ARR、PSC、CCR的设置来调整PWM的参数。

所以ARR=100-1; PSC = 720-1; CCR = 50// 50%的占空比

void PWM_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		//GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;		    //ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;		//PSC
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;		//CCR
	TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

一般只调节PSC，不会影响CCR和ARR的占空比。一般先根据分辨率确定ARR，再根据pwm频率条件PSC分频。
示波器输出

项目使用TB6612：双路H桥型的直流电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机。双路H桥型电路由两个推挽电路组成。H桥可以变换电流的方向。

定时器的输入捕获功能

测输入PWM波的频率和占空比
输入捕获（4个通道）和输出比较（4个通道）只能使用其中一个。
输入捕获，当通道输入引脚出现上升沿或下降沿时，将当前CNT的值锁存到CCR中，可测量PWM波的频率、占空比等等参数。

主从触发模式

可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量。不用再使用中断去清空CNT

注意CNT计数可能会溢出（0-65535）

PWMI模式

可配置为PWMI模式，同时测量hz和占空比；

频率测量的方法：
测频法：在一个闸门时间T内，记录上升沿出现的次数N，然后计算
测周法：在两个上升沿内，用单片机的标注频率fc计次，记录次数N（到CCR），然后计算。（一般使用这个，随时都能取CCR的值）

定时器的编码器接口

电机驱动项目：使用pwm驱动电机，再使用编码器测量电机的速度，然后再用PID进行控制。
通用定时器拥有一个编码器接口。

正交编码器能够抗噪声，通过双相查表来对抗噪声。

所以，问：TIMER你一般用来做什么？

DMA简介

直接存储器读取，协助CPU完成数据转运的工作，提供外设<=>存储器、存储器<=>存储器的高速数据传输

一般情况下，程序都是在flash程序存储器下运行
DMA外设可以直接访问32内部的寄存器，包括运行内存SRAM，程序存储器flash，寄存器等等
寄存器是一种特殊的存储器：一、cpu可以对寄存器进行读写，类型读取运行内存；二、寄存器都连接了一根导线，可以控制电路状态，如高低电平的切换，导通和断开开关。所以寄存器是连接软件和硬件的桥梁！软件读取寄存器就相当于在控制硬件的执行。
寄存器与存储器不同的是，寄存器的每一位都对应着外设电路的状态。

通信接口

需要制定通信协议，通信双方按照协议规则进行数据收发。

USART

USART外设：按照串口协议来产生和接收高低电平信号。点对点通信。

串口参数：
波特率：串口通信的速率。因为串口是异步通信，如果速率不同，会导致读取数据的错位。
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（串口空闲时为高电平）
数据位：数据帧的载荷。如发送0x0F，低位先发，于是电平为11110000的波形。注意，串口一次只能发送一个 8 位（1 个字节）的数据。
停止位：数据帧的间隔，固定为高电平。

翻转电平是由usart外设完成的，无需编程。软件只需要读写DR寄存器。

重点在发送数据寄存器TDR和接收数据寄存器RDR。

在数据转运到接收数据寄存器RDR时，会置一个RXNE标志位，RXNE就可以去申请中断，从而在收到数据时便快速的进行数据的处理。
上图看似有四个寄存器，但是软件层面只有一个DR寄存器供我们读写。

软件配置流程：

1、仅发数据的配置

• 开启USART的时钟，开启GPIOA的时钟；
• 初始化GPIO引脚：TX引脚位复用推挽输出，RX位输入脚，选择上拉输入模式；
• 初始化串口配置：

• USART_Cmd开启串口
• 之后就可以使用函数接口发送数据：

USART_SendData(USART1, uint8_t)  // uint8_t就是char，8位

封装之后

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

调用这个库函数，Byte变量就写入TDR中了，再等待一下TDR的数据转移到移位寄存器中才能放心，不然数据就覆盖了。所以还需要检查标识位TXE（TDR是否为空）：
while(USART_GETFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
注：读数据寄存器非空的标志为RXNE，下面会用到。

2、收发数据的配置

USART_InitStruture.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
一般使用中断触发处理数据，所以下一步：
配置NVIC：
开启RXNE标志位到NVIC的输出，RXNE一旦置1，就会向NVIC申请中断；

编写中断处理函数

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if(USART_GETITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		// 有数据来了，接收
		uint8_t Serial_RXData = USART_ReceiveData(USART1);
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  // 清除标识位
	}
}

以上是单字节的数据收发，数据包的收发类似。

I2C

目的：读取外挂寄存器数据（CPU要读取MPU6050的寄存器），而串口的工作是传输数据。

##I2C的功能：
发送数据后，另一端能够应答；
同步时序，半双工（串口是异步时序，有USART硬件的支持），对硬件要求不是很严格；
支持总线挂载多设备，一般为一主多从。

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式，且SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右（弱上拉电阻+开漏输出模式）
MPU6050已经在硬件上接入上拉电阻了。

复习：
开漏输出：只能输出低电平（只能下拉）

I2C时序基本单元

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
注意：只用主机才能产生起始和终止。只有主机才能控制SCL。

一个字节主机发送=>从机接收：
主机拉下SCL，主机把数据放在SDA（高位先行）；主机松开SCL，从机读取SDA的数据（SCL高电平期间，SDA不允许变换，因为从机正在读）。如此循环八次，就发送了一个字节的数据。
低电平主机放数据，高电平从机读数据。
一个字节主机接收<=从机发送：
SCL低电平期间，从机把数据放在SDA上，然后释放SCL；主机在SCL高电平期间读取SDA数据（SCL高电平期间，SDA不允许变换）。如此循环八次，就发送了一个字节的数据。
低电平从机放数据，高电平主机读数据。
总结：所有设备包括主机都处于输入模式，当主机需要发送时，主动去拉下SDA。而在主机被动接收的时，必须先释放SDA（释放总线，不然永远是低电平，别人没法写，总线是“或”逻辑）。

应答机制
从机应答：操作的是SDA这根线，当主机松手SDA时，从机需要拉住SDA，告诉主机自己收到了。
主机应答：

具体应用

指定地址写（主机发送）

对于指定从机设备地址（MPU6050地址：0xD0），在指定从机设备的指定寄存器地址下（0x19）写入指定数据（0xAA）
从机设备地址站前7位，第8位为主机想写就是0，想读就是1。

指定地址读

对于指定从机设备地址（MPU6050地址：0xD0），指定从机设备的指定寄存器地址（0x19）；对于指定从机设备地址（MPU6050地址：0xD0，但是第8位为1，表述主机想读），之后直接收数据。

实现了指定地址读和写，就可以实现STM32读取外挂芯片寄存器的操作。

总结

只有主机SCL下拉期间，SDA的数据才能动（要么主机放数据、要么从机放）。主机松手SCL（高电平），一律不准动SDA（因为要读，要么主机要么从机）。

MPU6050通信流程

初始化I2C；
指定MPU6050地址，指定要写的寄存器地址；
初始化MPU6050的寄存器，其实就是主机往指定的寄存器中写数据（电源管理寄存器解除睡眠、选择陀螺仪时钟、6个轴不待机。。。）；
再发一次MPU6050地址指定读，然后读取指定寄存器的数据1632（Acc，Gypo）；

SPI

SPI与I2C的目的相同，为了读取外部寄存器。
SCK、MOSI（主机输出，从机输入）、MISO（主机输入，从机输出）、SS（从机选择线）
同步时序、全双工（数据发送和接收各占一条线）

SCK时钟线由主机掌握
主机另外引出多条SS控制线，拉低为呼叫。
输出引脚配置为推挽输出，输入引脚为浮空或上拉输入；
推挽输出：高低电平均有很强的驱动能力（下降沿上升沿非常迅速）

SPI的数据收发，都是基于字节交换单元来实现的

起始终止时序

起始条件: SS从高电平切换到低电平
终止条件: SS从低电平切换到高电平
SS低电平为数据传输的过程

交换一个字节

模式1：SCK第一个边沿移出数据到线，第二个边沿移入数据到寄存器。

一般用的是模式0，在SCK第一个边沿之前就要移出数据，第一个边沿移入数据。
模式2：

通信协议比较

USART

定义好波特率等等参数之后，调用接口发送数据

发送：

USART_SendData(USART1, uint8_t)  // uint8_t就是char，8位

封装之后

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

接收：
中断处理函数

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if(USART_GETITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		// 有数据来了，接收
		uint8_t Serial_RXData = USART_ReceiveData(USART1);
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  // 清除标识位
	}
}

I2C

优点：一根通信线兼顾收发（无论挂载多少设备）、寻址机制，应答机制。
缺点：因为I2C要实现半双工（要经常切换输入输出），所以采用开漏+上拉电阻的设计，这种设计使得通信线高电平驱动能力较弱（导致SDA从低到高，上升沿的耗时较长，限制传输速度）。

SPI

优点：传输更快（推挽输出），无需寻址（SS线负责）。
缺点：硬件要求高，资源浪费（全双工）。
四根通信线：SCK，MOSI、MISO、SS。