6.1概述6.2常用控制系統(tǒng)分類6.3STM32微控制器概述6.4STM32F407硬件資源6.5STM32軟件開發(fā)基礎(chǔ)6.6STM32F407項目開發(fā)實踐第六章控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)1.控制系統(tǒng)組成和基本要求6.1概述

控制系統(tǒng)組成及與其他系統(tǒng)關(guān)系1.控制系統(tǒng)組成和基本要求6.1概述

功能完善：滿足用戶所需基本控制功能，具備合理擴(kuò)展能力性能優(yōu)良：響應(yīng)速度快、控制精度高、運行效率高，可靠性強、壽命長。適應(yīng)性強：適應(yīng)不同環(huán)境和任務(wù)，具備良好可維護(hù)性和可升級性。經(jīng)濟(jì)性好：控制系統(tǒng)成本合理，提升市場競爭力和用戶滿意度。智能化高：具備一定人工智能能力，可通過自學(xué)習(xí)優(yōu)化控制策略。2.控制系統(tǒng)設(shè)計的原則和內(nèi)容6.1概述

系統(tǒng)需求分析方案設(shè)計軟硬件設(shè)計模塊化設(shè)計電磁兼容性系統(tǒng)集成與測試6.2常用控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)類型控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)功能系統(tǒng)可靠性環(huán)境適應(yīng)性通信功能軟件開發(fā)人機界面應(yīng)用場合開發(fā)周期成本嵌入式控制系統(tǒng)基于開發(fā)板或自行設(shè)計可組成簡單到中等復(fù)雜的各類控制系統(tǒng)差差可通過外圍元件自行擴(kuò)展可用匯編或高級語言開發(fā)較差智能儀表，簡單控制較長低基于PC的控制系統(tǒng)按要求選擇主機與相關(guān)功能接口板可組成簡單到復(fù)雜的各類控制系統(tǒng)一般一般擁有多種通信接口，如串口、并口、USB、網(wǎng)口可用高級語言開發(fā)好一般規(guī)?，F(xiàn)場控制或較大規(guī)?？刂埔话愀?.2常用控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)類型控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)功能系統(tǒng)可靠性環(huán)境適應(yīng)性通信功能軟件開發(fā)人機界面應(yīng)用場合開發(fā)周期成本基于PLC的控制系統(tǒng)按要求選擇主機與相關(guān)功能模塊可組成簡單到復(fù)雜的各類控制系統(tǒng)好好可通過通信模塊自行擴(kuò)展可用高級語言或梯形圖開發(fā)一般一般規(guī)?，F(xiàn)場控制短中專用控制系統(tǒng)按要求選擇整套系統(tǒng)一般組成專用控制系統(tǒng)好好各系統(tǒng)不同一般只使用專用語言編寫應(yīng)用程序，不做二次開發(fā)一般專用場合一般高6.3STM32微控制器概述

1.STM32的產(chǎn)品線MCU的主要產(chǎn)品系列包括以下幾種：(1)STM32F系列：基于Cortex-M3或Cortex-M4內(nèi)核，提供高性能和豐富的外設(shè)。(2)STM32L系列：超低功耗系列，適合電池供電的應(yīng)用。(3)STM32G系列：主流性能系列，平衡性能和成本。(4)STM32H系列：高性能系列，適用于高性能要求的應(yīng)用。(5)STM32W系列：無線連接系列，集成了無線通信能力。6.3STM32微控制器概述

1.STM32的產(chǎn)品線STM32產(chǎn)品系列6.3STM32微控制器概述

2.STM32的產(chǎn)品命名及選型STM32產(chǎn)品的命名：6.3STM32微控制器概述

2.STM32的產(chǎn)品命名及選型STM32產(chǎn)品選型方法：片上資源需求:程序體積大，選擇更大Flash；數(shù)據(jù)緩存多，選擇更大RAM；外設(shè)接口需求：接口種類豐富（如CAN、USB、以太網(wǎng)），選擇高端系（如F4）接口數(shù)量多，選擇引腳數(shù)多的封裝型號；性能需求：實時性強或處理速度高，選用高主頻芯片（如STM32F407）；項目成本控制：預(yù)算有限，選用中低端系列（如STM32F103）；封裝形式與應(yīng)用環(huán)境：PCB設(shè)計緊湊/體積小，選用小封裝；工業(yè)環(huán)境，選用工業(yè)溫度范圍型號；開發(fā)復(fù)雜性：學(xué)習(xí)入門，推薦STM32F1系列；高級應(yīng)用，推薦STM32F4系列。6.4STM32F407硬件資源

1.功能特性與內(nèi)部架構(gòu)功能特性：(1)高達(dá)1MB的閃存，提供快速的數(shù)據(jù)處理能力；(2)豐富的外設(shè)接口，包括多個UASRT/UART、SPI、I2C、CAN、USBOTG等通信接口；(3)除了普通定時器外，還集成了多個高級定時器，具有PWM通道、捕獲/比較功能和ADC、DAC等功能，適合工業(yè)控制和電機驅(qū)動應(yīng)用；(4)支持以太網(wǎng)和LCD-TFT控制器，適用于需要網(wǎng)絡(luò)連接和圖形顯示的應(yīng)用；(5)具備高級圖形和音頻處理能力，以及雙攝像頭接口，適合多媒體應(yīng)用；(6)支持多種啟動方式，包括從內(nèi)置或外部存儲器啟動；(7)強大的安全功能，包括安全啟動和加密存儲。6.4STM32F407硬件資源

1.功能特性與內(nèi)部架構(gòu)內(nèi)部架構(gòu)：高性能內(nèi)核通信

Cortex-M4作為運算核心

AHB總線矩陣高效連接各模塊中斷系統(tǒng)（NVIC）多級中斷優(yōu)先級設(shè)置支持中斷嵌套，提升實時響應(yīng)能力存儲體系結(jié)構(gòu)片上Flash、SRAMFlash加速器提升執(zhí)行效率支持外部存儲器，數(shù)據(jù)交換高效通用輸入輸出（GPIO）靈活配置：輸入/輸出/模擬/復(fù)用功能滿足多樣化接口需求6.4STM32F407硬件資源

1.功能特性與內(nèi)部架構(gòu)內(nèi)部架構(gòu)：多種通信接口

AHB/APB總線連接支持UART、SPI、I2C等多種數(shù)據(jù)

傳輸方式電源管理模塊支持多種功耗模式保證系統(tǒng)能效與穩(wěn)定運行安全與輔助功能內(nèi)部溫度傳感器外部中斷/喚醒引腳（EXTIT/WKUP）

提升可靠性與靈活性調(diào)試與編程接口

JTAG/SWD支持在線調(diào)試與程序燒錄是開發(fā)與測試的核心通道6.4STM32F407硬件資源

1.功能特性與內(nèi)部架構(gòu)內(nèi)部架構(gòu)：STM32內(nèi)部存儲器架構(gòu)6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口GPIO引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖GPIO：內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口GPIO：八種工作模式（1）GPIO_Mode_AIN（模擬輸入）（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING（浮空輸入）（3）GPIO_Mode_IPD（下拉輸入）（4）GPIO_Mode_IPU（上拉輸入）（5）GPIO_Mode_Out_OD（開漏輸出）（6）GPIO_Mode_Out_PP（推挽輸出）（7）GPIO_Mode_AF_OD（復(fù)用開漏輸出）（8）GPIO_Mode_AF_PP（復(fù)用推挽輸出）6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口USART/UART串口：物理層信號名方向功能簡述TX（Transmit）輸出發(fā)送數(shù)據(jù)RX(Receive)輸入接收數(shù)據(jù)nRTS(RequesttoSend)輸出接收器通知發(fā)送器nCTS(CleartoSend)輸入發(fā)送器詢問接收器SCLK(SerialClock)輸出同步通信時的時鐘信號，僅同步模式下使用6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口USART/UART串口：物理層串口的電路連接：（1）串口之間直接連接STM32與外設(shè)間串口直接連接示意圖6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口USART/UART串口：物理層串口的電路連接：（2）使用RS232轉(zhuǎn)接：全雙工通訊模式（3）使用RS485轉(zhuǎn)接：半雙工通訊方式（4）使用USB轉(zhuǎn)接：全雙工通訊方式RS232接口及定義6.4STM32F407硬件資源

2.常用外部接口USART/UART串口：協(xié)議層8位串行數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖串口通訊的基本配置參數(shù)：（1）數(shù)據(jù)位（2）奇偶校驗位（3）停止位（4）波特率（5）過采樣參數(shù)6.5STM32軟件開發(fā)資源

1.STM32軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)環(huán)境跨平臺支持編碼體驗工具鏈功能社區(qū)支持是否免費STM32CubeIDE是良好完備豐富一般免費KeilMDK-ARM是優(yōu)秀完備非常豐富強商業(yè)IAREmbeddedWorkbench否優(yōu)秀完備非常豐富強商業(yè)AtollicTrueSTUDIO是良好完備豐富一般商業(yè)EclipsewithARMToolchain是中等較完備豐富(擴(kuò)展后)強免費CLion是優(yōu)秀較完備豐富強商業(yè)（學(xué)生免費）VSCodewithPlatformIO是優(yōu)秀(擴(kuò)展后)完備(擴(kuò)展后)豐富(擴(kuò)展后)強免費6.5STM32軟件開發(fā)資源

2.STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)

STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)圖形化配置工具，可通過圖形向?qū)нx擇芯片集成開發(fā)工具IDE，主要用于代碼編譯和調(diào)試支持圖形化和命令行的燒寫工具監(jiān)測工具套裝，方便用戶實時監(jiān)測調(diào)試過程6.5STM32軟件開發(fā)資源

2.STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)STM32Cube開發(fā)流程及軟件使用6.5STM32軟件開發(fā)資源

2.STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)

STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)STM32專用驅(qū)動包，含外設(shè)驅(qū)動與示例代碼擴(kuò)展模塊補充MCU包，聚焦應(yīng)用方案器件驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫硬件抽象層/底層6.5STM32軟件開發(fā)資源

3.使用CubeMX分配片上資源(1)項目創(chuàng)建：啟動STM32CubeMX，選擇目標(biāo)STM32芯片，創(chuàng)建新項目；(2)外設(shè)配置：在圖形界面中選擇需要使用的外設(shè)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；(3)時鐘樹配置：在圖形界面中配置微控制器的時鐘源和時鐘頻；(4)代碼生成：完成配置后，STM32CubeMX可以生成初始化代碼和項目模板；(5)項目導(dǎo)入：將生成的項目模板導(dǎo)入到STM32CubeIDE或其他IDE中，開始編碼和調(diào)試。6.5STM32軟件開發(fā)資源

4.STM32程序編寫與燒寫運行main函數(shù)結(jié)構(gòu)：初始化系統(tǒng)（驅(qū)動、時鐘、外設(shè)）進(jìn)入while(1)死循環(huán)：循環(huán)前放一次性任務(wù)循環(huán)內(nèi)執(zhí)行長期任務(wù)程序燒寫方式

通過串口或仿真器燒寫 KeilMDK-ARM：內(nèi)置編譯器，配置后可直接燒錄 STM32CubeIDE：需預(yù)先配置編譯器和仿真器程序運行與調(diào)試

無調(diào)試需求：燒寫后斷開仿真器，供電即可獨立運行

有調(diào)試需求：保持仿真器連接，支持?jǐn)帱c調(diào)試

可通過復(fù)位開關(guān)重啟程序運行6.5STM32軟件開發(fā)資源

5.STM32項目組織架構(gòu)核心驅(qū)動與標(biāo)準(zhǔn)支持文件夾Driver/CMSIS：含處理器相關(guān)配置與啟動代碼，由芯片制造商提供，支持ARM的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)。Driver/STM32F4xx_HAL_Driver：HAL庫驅(qū)動，是STM32CubeMX生成代碼的核心部分，實現(xiàn)對外設(shè)的抽象。代碼實現(xiàn)與頭文件文件夾Inc：存放外設(shè)初始化頭文件，按外設(shè)模塊分類。Src：包含外設(shè)初始化源文件，與頭文件對應(yīng)，含系統(tǒng)入口main.c。6.5STM32軟件開發(fā)資源

5.STM32項目組織架構(gòu)啟動與配置相關(guān)文件Startup：特定STM32系列啟動代碼，多為匯編語言編寫。STM32F407ZGTX_FLASH.ld：芯片啟動后FLASH空間配置文件。STM32F407ZGTX_RAM.ld：芯片啟動后RAM空間配置文件。用戶與編譯配置文件UserApp：用戶自定義源代碼目錄，結(jié)構(gòu)可按工程習(xí)慣管理。CMakeLists.txt：項目編譯配置文件，修改CubeMX

代碼時會被樣板文件覆蓋CMakeLists_template.txt：CubeMX生成的CMakeLists.txt樣板文件xxx.ioc：CubeMX

配置文件，存儲項目硬件與軟件配置信息。6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐1.STM32F407開發(fā)板與仿真器仿真器ST-LINKV2正點原子探索者STM32F407開發(fā)板及接分布6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐2.基于ROS實現(xiàn)上位機與開發(fā)板串口通訊---ROS系統(tǒng)介紹ROS系統(tǒng)架構(gòu)6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐2.基于ROS實現(xiàn)上位機與開發(fā)板串口通訊---ROS與STM32連接通訊通用方案適用于ROS1和ROS2，高度可定制，但需要手動管理協(xié)議。ROS1與rosserial易于使用，透明的通訊，但占用MCU存儲空間。ROS2與micro-ROS支持多種協(xié)議，但需要嵌入式操作系統(tǒng)。硬件連接系統(tǒng)通訊6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐2.基于ROS實現(xiàn)上位機與開發(fā)板串口通訊--rosserial_stm32安裝配置安裝必要的rosserial服務(wù)端和客戶端程序1.安裝rosserial設(shè)置新的STM32項目并進(jìn)行配置2.創(chuàng)建STM32項目將rosserial_stm32庫添加到STM32項目中3.引入rosserial_stm32編譯程序并將其下載到STM32設(shè)備5.編譯并下載在STM32項目中編寫必要的程序代碼4.編寫程序代碼6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐2.基于ROS實現(xiàn)上位機與開發(fā)板串口通訊---在stm32項目中引入ROSrosserial_stm32生成目錄stm32cubeMX配置相關(guān)代碼配置見教材6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐2.基于ROS實現(xiàn)上位機與開發(fā)板串口通訊---接入流程總結(jié)6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐3.基于開發(fā)板實現(xiàn)舵機控制舵機引腳stm32引腳PWM（）PA7VCC（紅）VCCGND（褐）GND舵機與開發(fā)板的信號連接6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐3.基于開發(fā)板實現(xiàn)舵機控制生成PWM信號的引腳配置TIM14的配置參數(shù)定時器選擇選擇TIM14的通道1生成PWM信號，分配到GPIO引腳PA7。參數(shù)配置配置TIM14的預(yù)分頻系數(shù)、自動重載數(shù)值和PWM脈沖比較數(shù)值，實現(xiàn)50Hz的PWM脈沖信號。

6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐3.基于開發(fā)板實現(xiàn)舵機控制函數(shù)名功能描述HAL_TIM_Base_Init()定時器初始化，設(shè)置各種參數(shù)和連續(xù)定時模式HAL_TIM_Base_MspInit()在HAL_TIM_Base_Init()里被調(diào)用，重新實現(xiàn)的這個函數(shù)一般用于定時器時鐘使能和中斷設(shè)置HAL_TIM_Base_Start()以輪詢工作方式啟動定時器，不會產(chǎn)生中斷HAL_TIM_PWM_Init()生成PWM波的配置初始化，需先執(zhí)行HAL_TIM_Base_Init()HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()配置PWM輸出通道HAL_TIM_PWM_Start()啟動生成PWM波，需要先執(zhí)行HAL_TIM_Base_Start()HAL_TIM_PWM_Stop()停止生成PWM波__HAL_TIM_SET_COMPARE()修改PWM波的比較寄存器的比較值，用以控制占空比6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐4.基于開發(fā)板實現(xiàn)超聲波測距超聲波測距原理圖HC-SR04與開發(fā)板的信號連接HC-SR04引腳stm32引腳EchoPA5TrigPE0VCCVCCGNDGND6.6

STM32F407項目開發(fā)實踐4.基于開發(fā)板實現(xiàn)超聲波測距捕獲Echo信號的引腳配置TIM7的配置參數(shù)TIM2的配置參數(shù)開啟PE0引腳的GPIO_Output模式，然后開啟TI