第4章 STM32微控制器基础

第4章 STM32微控制器基础：选型、GPIO、定时器与串口

好，咱们进入正题。这一章讲的是STM32F103系列，这是LoRa矿山安全监测系统里最常用的“大脑”。说实话，我最早接触这个芯片是在一个井下瓦斯监测项目里，当时选型就纠结了好几天。今天我把这些经验掰开揉碎了讲给你听。

4.1 STM32F103系列选型：别选错了，否则后面全是坑

STM32F103系列，说白了就是意法半导体的“中端主力”。它基于ARM Cortex-M3内核，主频最高72MHz。你想想看，矿山环境监测需要采集传感器数据、处理LoRa协议、还要跑点简单的算法，这个性能刚刚好。

选型时我建议你重点关注这几个参数：

Flash容量：代码空间。我个人习惯至少留30%余量。比如你预估代码50KB，那就选64KB以上的型号。
SRAM大小：运行内存。LoRa数据包处理、传感器缓存都需要它。20KB起步比较稳妥。
GPIO数量：外设接口。矿山监测通常要接多个传感器，我建议选LQFP48封装以上的，引脚够用。
通信外设：至少2个USART（一个给LoRa模块，一个给调试），1个SPI（给传感器），1个I2C（给温湿度或气压计）。

常用型号对照表

型号	Flash	SRAM	封装	适用场景
STM32F103C8T6	64KB	20KB	LQFP48	入门、小系统
STM32F103RBT6	128KB	20KB	LQFP64	中等复杂度项目
STM32F103VET6	512KB	64KB	LQFP100	多传感器、复杂协议

我的经验：矿山项目里，我一般选STM32F103RBT6。128KB Flash够用，64引脚也够接外设。别贪便宜选C8T6，万一后期加功能，Flash不够就麻烦了。

4.2 GPIO配置：别小看这步，我吃过亏

GPIO配置看起来简单，但坑不少。我记得有一次，一个传感器死活读不到数据，查了两天，最后发现是GPIO模式配错了。

STM32的GPIO有8种模式，常用的就这几种：

推挽输出：驱动LED、继电器。输出高电平时直接拉高，低电平时拉低。
开漏输出：I2C总线、电平转换。只能拉低，不能拉高，需要外部上拉电阻。
浮空输入：按键检测。引脚电平由外部决定，内部无上下拉。
上拉/下拉输入：传感器数字信号。内部有弱上拉或弱下拉，防止引脚悬空。
复用功能：USART、SPI、定时器等外设的引脚。

配置代码其实很简单，但要注意顺序。我习惯这样写：

// 开启GPIO时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

// 定义GPIO结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 配置PB0为推挽输出，50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 配置PB1为上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

注意：配置复用功能时，一定要先开启对应外设的时钟，再配置GPIO。顺序反了，外设可能不工作。我曾经因为这个浪费了一整天。

4.3 定时器中断：精准的时间控制

矿山环境监测需要定时采集数据，比如每10秒读一次传感器。这时候定时器中断就派上用场了。

STM32F103有多个定时器：

基本定时器（TIM6、TIM7）：只能做定时，没有外部引脚。
通用定时器（TIM2~TIM5）：有PWM、输入捕获、输出比较功能。
高级定时器（TIM1、TIM8）：功能最全，适合电机控制。

我一般用通用定时器做周期性中断。配置步骤很简单：

开启定时器时钟
设置预分频器和自动重装载值
使能更新中断
编写中断服务函数

举个例子，配置TIM2产生1秒中断：

// 定时器时钟频率 = 72MHz
// 预分频器 = 7200 - 1，得到10KHz
// 自动重装载值 = 10000 - 1，得到1秒中断

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

中断服务函数里，我习惯加一个标志位，主循环里判断：

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        // 置位标志位，主循环处理
        g_timer_flag = 1;
    }
}

避坑指南：中断服务函数里不要做耗时操作，比如printf、延时。我曾经在中断里调了个延时函数，结果系统直接卡死。记住，中断里只做标志位或简单变量操作，具体处理放主循环。

4.4 串口通信：和LoRa模块对话的桥梁

LoRa模块通常通过串口和STM32通信。串口配置是基本功，但细节决定成败。

STM32的USART配置要点：

波特率：LoRa模块一般用9600或115200。我建议用115200，速度快，数据吞吐量大。
数据位：8位，无校验，1位停止位（8N1），这是最常用的格式。
中断接收：一定要用中断，别用轮询。轮询会浪费CPU，影响其他任务。

配置代码示例：

// USART1，PA9(TX)，PA10(RX)
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

// 使能接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

中断接收函数，我习惯用环形缓冲区：

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        // 存入环形缓冲区
        ring_buffer_write(&g_rx_buffer, data);
    }
}

核心要点：串口通信的稳定性取决于波特率误差。晶振精度、时钟配置都会影响。我建议用外部8MHz晶振，内部RC振荡器精度不够，容易丢包。

4.5 综合应用：一个简单的数据采集任务

把上面这些知识点串起来，就是一个完整的LoRa数据采集流程：

系统初始化：配置时钟、GPIO、定时器、串口
定时器每10秒触发一次中断，置位采集标志
主循环检测到标志，读取传感器数据（通过GPIO或SPI）
将数据通过串口发送给LoRa模块
LoRa模块将数据无线传输到网关

这个流程看起来简单，但实际项目中要考虑很多细节。比如传感器上电后需要稳定时间，我一般加个100ms延时再读取。再比如LoRa模块发送完数据后，要等待确认，否则可能丢包。

重要提醒：矿山环境有粉尘、潮湿、电磁干扰。STM32的电源要加滤波电容，IO口要加保护。我曾经在一个项目里没加TVS管，结果雷雨天气烧了好几个芯片。别省这几毛钱。

好了，这一章的内容就这些。STM32F103是块好芯片，性价比高，生态成熟。你只要把GPIO、定时器、串口这三个基本功练扎实，后面做LoRa系统就顺风顺水了。下一章我们讲传感器接口，到时候见。

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