STM32 HAL 开发实战

本章目标

掌握 STM32CubeMX + HAL 的开发流程，理解时钟树配置与外设初始化，完成定时器 PWM 和 ADC 采集。

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1. STM32 家族概览

系列	内核	频率	定位
F0	Cortex-M0	48MHz	低成本替代 8-bit
F1	Cortex-M3	72MHz	经典入门
F4	Cortex-M4	168-180MHz	DSP + FPU
F7	Cortex-M7	216MHz	高性能 + Cache
H7	Cortex-M7+M4	480MHz	双核旗舰
G0/G4	Cortex-M0+/M4	64/170MHz	新一代主流
L0/L4	Cortex-M0+/M4	32/80MHz	超低功耗

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2. CubeMX 配置流程

步骤

1. 新建工程 → 选择 MCU 型号（如 STM32F407VGT6）
2. Pinout → 配置引脚功能：
   • RCC：HSE = Crystal/Ceramic Resonator
   • SYS：Debug = Serial Wire
3. Clock Configuration → 配置时钟树：
   • HSE 8MHz → PLL /8 ×336 /2 = 168MHz (SYSCLK)
   • APB1 = 42MHz, APB2 = 84MHz
4. 外设配置（见下方各节）
5. Project Manager → Toolchain = Makefile（或 CubeIDE）
6. Generate Code

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3. GPIO 最佳实践

// 读取按键（带软件消抖）
uint8_t read_button(void) {
    if (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {
        HAL_Delay(20);  // 消抖
        if (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {
            while (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET);
            return 1;  // 按键释放后才返回
        }
    }
    return 0;
}

// 翻转 LED
HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);

// 原子写入（位带操作，F1 系列不支持）
LED_GPIO_Port->BSRR = LED_Pin;       // 置位
LED_GPIO_Port->BSRR = LED_Pin << 16; // 复位

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4. 定时器 PWM

CubeMX 配置

• TIM3 → Clock Source = Internal Clock
• Channel 1 → PWM Generation CH1
• Prescaler = 84-1 (84MHz / 84 = 1MHz)
• Counter Period = 1000-1 (1MHz / 1000 = 1kHz PWM)

// 初始化
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// 设置占空比（0-999）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500);  // 50%

// 呼吸灯效果
for (int duty = 0; duty <= 999; duty++) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);
    HAL_Delay(1);
}

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5. ADC 连续采样

CubeMX 配置

• ADC1 → IN0 (PA0), Scan Conversion = Enabled
• DMA2 Stream0 → Circular, Half Word

#define ADC_BUF_SIZE 100
static uint16_t adc_buf[ADC_BUF_SIZE];

void adc_init(void) {
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, ADC_BUF_SIZE);
}

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
    // DMA 完成一帧，处理数据
    float avg = 0;
    for (int i = 0; i < ADC_BUF_SIZE; i++) {
        avg += adc_buf[i];
    }
    avg /= ADC_BUF_SIZE;
    float voltage = avg * 3.3f / 4095.0f;
    printf("ADC Average: %.3f V\n", voltage);
}

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6. HAL 超时机制

// 所有阻塞型 HAL API 都带超时参数
if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, addr, data, len, 100) != HAL_OK) {
    // 100ms 超时后返回 HAL_TIMEOUT
    handle_i2c_error();
}

非阻塞 API（_IT 或 _DMA 后缀）不使用超时，依赖回调。

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思考题

1. STM32 的 HSI vs HSE vs PLL 分别用于什么场景？
2. 为什么 ADC 推荐用 DMA 而非中断方式？
3. HAL 库和 LL 库各适合什么样的开发场景？