第2章嵌入式基础

第2章：嵌入式基础：STM32微控制器简介、GPIO、定时器、中断、PWM输出原理

各位同学，欢迎来到第二章。说实话，很多初学者一上来就盯着寄存器手册看，结果三天就放弃了。我当年也是这样，差点把书扔出窗外。后来我悟出一个道理：学嵌入式，先别管那些复杂的底层细节，先把几个核心外设玩明白，后面自然就通了。

这一章，我们就来啃下STM32的四大金刚：GPIO、定时器、中断、PWM。你想想看，电机控制里90%的场景，其实就是在跟这四个家伙打交道。

2.1 STM32微控制器简介

STM32是意法半导体推出的32位ARM Cortex-M系列微控制器。为什么电机控制领域它这么火？说白了，就是性价比高、外设丰富、生态成熟。

我个人习惯把STM32分成三个梯队：

入门级（F0/F1系列）：Cortex-M0/M3内核，主频48-72MHz，适合简单电机控制、传感器采集。我最早做直流有刷电机项目用的就是STM32F103，皮实耐用。
主流级（F4系列）：Cortex-M4内核，带FPU（浮点运算单元），主频168MHz。做FOC（磁场定向控制）的标配，我现在的项目80%都在用F405。
高性能（H7系列）：Cortex-M7内核，主频400MHz+，双核架构。伺服驱动器、多轴机器人控制才会用到，一般初学者暂时不用碰。

核心要点：对于电机控制入门，STM32F103或F405是最佳选择。别一上来就追H7，容易把自己劝退。

2.2 GPIO：最基础的数字接口

GPIO（General Purpose Input/Output），通用输入输出口。说白了，就是芯片的「手脚」——可以输出高低电平去控制外部设备，也可以读取外部信号的高低电平。

STM32的GPIO有8种工作模式，但做电机控制你只需要记住这几种：

模式	用途	我的经验
推挽输出	驱动LED、继电器、使能信号	最常用，输出0或3.3V
开漏输出	I2C总线、电平转换	需要外接上拉电阻
浮空输入	读取按键、霍尔传感器	默认电平不确定，建议用上拉/下拉
复用功能	PWM输出、串口通信	让定时器接管引脚控制

嗯，这里要注意：GPIO的驱动能力有限，一般最大20mA。我曾经有个同事直接拿GPIO去驱动一个电磁铁，结果芯片烧了。驱动大负载，必须加三极管或MOS管。

小技巧：初始化GPIO时，养成先使能时钟、再配置模式、最后设置电平的习惯。顺序错了，有时候会莫名其妙出问题。

2.3 定时器：电机的「心跳」

定时器是电机控制的核心。为什么？因为PWM、编码器测速、周期中断，全都依赖它。

STM32的定时器分三类：

基本定时器（TIM6/TIM7）：只能计时，产生中断。我一般用它做系统心跳，比如每1ms执行一次状态机。
通用定时器（TIM2-TIM5）：有输入捕获、输出比较、PWM功能。做电机控制的主力，一个定时器可以同时输出多路PWM。
高级定时器（TIM1/TIM8）：带死区插入、刹车功能。专门为电机驱动设计的，做三相逆变器必备。

定时器的核心原理其实很简单：一个计数器从0开始往上数，数到预设值就归零，同时触发一个事件。这个「数数」的速度由时钟频率决定。

// 定时器配置示例（TIM2，1ms中断）
void TIM2_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;   // 使能时钟
    TIM2->PSC = 72 - 1;                    // 预分频：72MHz/72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 1000 - 1;                  // 自动重装：1MHz/1000 = 1kHz
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;            // 使能更新中断
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;              // 启动定时器
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);             // 使能中断
}

你看，就这么几行代码，一个1ms的定时器就搞定了。PSC和ARR这两个寄存器，你记住一个公式就行：输出频率 = 时钟频率 / (PSC+1) / (ARR+1)。

避坑指南：我曾经在调试一个BLDC电机时，发现PWM频率怎么调都不对。查了半天，原来是定时器的时钟源没选对——APB1和APB2的时钟频率不一样！TIM2挂在APB1上，默认是36MHz，而我按72MHz算的。所以，配置前一定先确认定时器挂在哪个总线上。

2.4 中断：让CPU「该干嘛干嘛」

中断，是嵌入式系统的灵魂。没有中断，CPU就得一直轮询，啥事也干不了。

中断的工作流程，我打个比方：你正在看书（主程序），突然手机响了（中断请求），你记下看到哪一页（保存现场），接电话（中断服务函数），挂电话后继续看书（恢复现场）。

STM32的中断系统有几个关键概念：

中断优先级：STM32支持抢占优先级和子优先级。高优先级可以打断低优先级的中断。电机控制中，电流环中断优先级最高，速度环次之，通信中断最低。
中断向量表：存放所有中断服务函数入口地址的表。复位后CPU会从这里找到第一条指令。
NVIC（嵌套向量中断控制器）：管理所有中断的使能、挂起、优先级。

// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {   // 检查更新中断标志
        TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;    // 清除标志位
        // 在这里放你的代码，比如电机状态机更新
        Motor_StateMachine();
    }
}

你想想看，如果没有中断，CPU就得不停地问：「定时器到时间了吗？到了吗？到了吗？」——这叫轮询，效率极低。有了中断，CPU可以安心做其他事，定时器到了它会主动通知CPU。

核心原则：中断服务函数要短小精悍，不要在里面做延时、打印等耗时操作。我一般只在中断里设置标志位，真正的处理放在主循环里。否则，中断嵌套一多，系统就崩了。

2.5 PWM输出原理：电机调速的核心

PWM（Pulse Width Modulation），脉冲宽度调制。说白了，就是通过调节方波的占空比来控制平均电压。

为什么电机控制要用PWM？因为直接调电压效率低、发热大。而PWM配合MOS管，开关损耗小，效率能做到90%以上。

PWM的三个关键参数：

频率：PWM波每秒的周期数。电机控制一般用10kHz-20kHz，低于人耳听觉范围（20kHz）会有啸叫声。我一般用16kHz，安静又高效。
占空比：高电平时间占整个周期的比例。0%就是全关，100%就是全开，50%就是一半电压。
分辨率：占空比可调节的精细程度。比如ARR=999，分辨率就是0.1%。

用定时器输出PWM，其实就是利用「输出比较」功能：计数器值小于比较值时，输出高电平；大于比较值时，输出低电平。

// PWM输出配置（TIM2，通道1，PA0）
void PWM_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    
    // 配置PA0为复用功能
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_1;   // 复用模式
    GPIOA->AFR[0] |= 1 << 0;              // AF1：TIM2_CH1
    
    // 定时器配置
    TIM2->PSC = 72 - 1;                    // 72MHz/72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 1000 - 1;                  // PWM频率 = 1MHz/1000 = 1kHz
    TIM2->CCR1 = 500;                      // 占空比 = 500/1000 = 50%
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;  // PWM模式1
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;           // 使能输出
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;              // 启动定时器
}

改变占空比很简单，直接修改CCR1的值就行。比如想让电机转快点，就把CCR1设大一点。

我的习惯：做电机控制时，我会把PWM频率固定，只调节占空比。频率一变，电机的电感特性就变了，控制参数也得跟着调，太麻烦。另外，高级定时器的死区时间一定要配好，否则上下桥臂直通，MOS管瞬间冒烟——我亲眼见过，那味道真不好闻。

2.6 本章小结

这一章我们聊了STM32的四大核心外设。GPIO是手脚，定时器是心跳，中断是神经系统，PWM是力量输出。这四个东西组合起来，就能搭建一个最基本的电机控制系统。

下一章，我们会把这些知识串起来，做一个真正的电机转动实验。到时候你会发现，原来让电机转起来，就这么简单。

记住：理论是死的，板子是活的。看完这一章，赶紧去你的开发板上试试。只有亲手配置过寄存器，踩过几个坑，这些东西才能真正变成你的。

课后作业：用STM32输出一个10kHz、占空比30%的PWM波，用示波器或逻辑分析仪验证。试试改变占空比，观察电机转速变化（如果有电机的话）。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

📚 课程目录