【03】STM32F407 HAL 库框架设计学习

摘要

本文旨在为初学者提供一个关于STM32F407微控制器HAL（Hardware Abstraction Layer）库框架设计的详细学习教程。通过本文，读者将从零开始，逐步掌握STM32F407的基本知识、HAL库的配置步骤、HAL库函数的使用方法，并通过配套的例程和代码注释加深理解。本文内容涵盖基础知识、配置步骤、HAL库函数详解、配套例程和总结，并附有思维导图以帮助读者更好地理解知识结构。

初学者重要提示

在开始学习STM32F407和HAL库之前，请注意以下几点：

硬件准备：
- 确保你拥有STM32F407开发板，并熟悉其硬件结构。
- 准备好调试工具，如ST-Link或类似设备。
软件安装：
- 安装STM32CubeMX和STM32CubeIDE。
- 安装STM32Cube_FW_F4固件库。
开发环境配置：
- 确保STM32CubeMX和STM32CubeIDE已正确配置，并能够生成和编译项目。
学习资源：
- 熟悉STM32F407的数据手册和HAL库参考手册。
- 参考STM32CubeMX和STM32CubeIDE的用户指南。
编程基础：
- 熟悉C语言编程基础。
- 理解基本的嵌入式系统概念，如中断、DMA等。

1. 基础知识

1.1 STM32F407简介

STM32F407是STMicroelectronics公司推出的一款高性能32位微控制器，基于ARM Cortex-M4内核，工作频率高达168MHz。它集成了丰富的外设，如GPIO、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、DAC等，适用于多种嵌入式应用。

1.2 HAL库简介

HAL（Hardware Abstraction Layer）库是ST公司为STM32系列微控制器提供的标准软件库，旨在为开发者提供一个统一的接口，简化硬件操作。HAL库将硬件操作抽象为函数调用，使得开发者无需深入了解底层硬件细节，即可完成复杂的硬件操作。

1.3 开发环境搭建

在开始使用STM32F407和HAL库之前，需要先搭建开发环境。以下是搭建开发环境的步骤：

安装STM32CubeMX：STM32CubeMX是一个图形化配置工具，用于配置STM32微控制器的外设和时钟。
安装STM32CubeIDE：STM32CubeIDE是基于Eclipse的集成开发环境，用于STM32项目的开发和调试。
安装STM32Cube_FW_F4：这是STM32F4系列的HAL库和底层固件库，包含HAL库的源代码和头文件。

2. 配置步骤

2.1 使用STM32CubeMX配置STM32F407

打开STM32CubeMX，选择STM32F407VG芯片。
配置时钟：在“Clock Configuration”选项卡中，配置系统时钟为168MHz。
配置GPIO：在“Pinout & Configuration”选项卡中，配置GPIO引脚的功能。例如，配置GPIOA的第5引脚为LED输出。
配置其他外设：根据需要配置其他外设，如UART、SPI、I2C等。
生成代码：完成配置后，点击“Generate Code”按钮，选择保存路径，生成初始化代码。

2.2 在STM32CubeIDE中配置项目

导入生成的代码：在STM32CubeIDE中，选择“File” -> “Import” -> “STM32CubeMX Project” -> “Existing STM32CubeMX Project”，导入生成的代码。
配置项目：在“Project Explorer”中，右键点击项目，选择“Properties”，配置项目属性，如调试配置、编译选项等。
构建项目：点击“Build”按钮，构建项目，确保没有错误。

3. HAL库函数详解

3.1 GPIO操作

3.1.1 GPIO初始化

HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

参数

：
- GPIOx：GPIO端口，如GPIOA、GPIOB等。
- GPIO_Init：指向GPIO初始化结构体的指针，包含GPIO模式、速度、上下拉配置等信息。
返回值

：
- HAL_OK：初始化成功。
- HAL_ERROR：初始化失败。

3.1.2 GPIO输入输出操作

HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)

参数

：
- GPIOx：GPIO端口。
- GPIO_Pin：GPIO引脚，如GPIO_PIN_5。
- PinState：引脚状态，GPIO_PIN_SET表示高电平，GPIO_PIN_RESET表示低电平。
返回值

：
- HAL_OK：操作成功。
- HAL_ERROR：操作失败。

3.2 UART操作

3.2.1 UART初始化

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart, UART_InitTypeDef *uInit)

参数

：
- huart：UART句柄，包含UART配置信息。
- uInit：指向UART初始化结构体的指针，包含波特率、数据位、停止位、校验位等信息。
返回值

：
- HAL_OK：初始化成功。
- HAL_ERROR：初始化失败。

3.2.2 UART数据发送

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

参数

：
- huart：UART句柄。
- pData：指向发送数据缓冲区的指针。
- Size：发送数据的长度。
- Timeout：超时时间。
返回值

：
- HAL_OK：发送成功。
- HAL_ERROR：发送失败。

3.3 PWM操作

3.3.1 PWM初始化

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Init(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_InitTypeDef *pInitStruct)

参数

：
- htim：TIM句柄，包含PWM配置信息。
- pInitStruct：指向TIM初始化结构体的指针，包含PWM模式、时钟源、频率等信息。
返回值

：
- HAL_OK：初始化成功。
- HAL_ERROR：初始化失败。

3.3.2 PWM输出

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)

参数

：
- htim：TIM句柄。
- Channel：PWM通道，如TIM_CHANNEL_1。
返回值

：
- HAL_OK：启动成功。
- HAL_ERROR：启动失败。

4. 配套例程

4.1 LED闪烁例程

4.1.1 代码实现

#include "main.h"

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    while (1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(500);
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void Error_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

4.1.2 代码说明

HAL_Init()：初始化HAL库。
SystemClock_Config()：配置系统时钟。
MX_GPIO_Init()：配置GPIO引脚。
HAL_GPIO_WritePin()：控制GPIO引脚输出。
HAL_Delay()：延时函数。

4.2 UART通信例程

4.2.1 代码实现

#include "main.h"

UART_HandleTypeDef huart2;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();

    while (1)
    {
        char data = 'A';
        HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&data, 1, 100);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

static void MX_USART2_UART_Init(void)
{
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 115200;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void Error_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

4.2.2 代码注释

UART_HandleTypeDef huart2：UART句柄。
MX_USART2_UART_Init()：配置UART2。
HAL_UART_Transmit()：发送数据。
HAL_Delay()：延时函数。

4.3 PWM生成例程

4.3.1 代码实现

#include "main.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    while (1)
    {
        HAL_Delay(1000);
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

static void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 8399;
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999;
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void Error_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}