11. GPIO输出—使用固件库点亮LED

本章参考资料:《STM32F4xx参考手册》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

利用库建立好的工程模板,就可以方便地使用STM32标准库编写应用程序了,可以说从这一章我们才开始迈入STM32开发的大门。

LED灯的控制使用到GPIO外设的基本输出功能,本章中不再赘述GPIO外设的概念,如您忘记了,可重读前面“GPIO框图剖析”小节, STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与“定义引脚模式的枚举类型”小节中讲解的相同。

11.1. 硬件设计

本实验板连接了一个RGB彩灯,RGB彩灯实际上由三盏分别为红色、绿色、蓝色的LED灯组成,通过控制RGB颜色强度的组合,可以混合出各种色彩。

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LED硬件原理图

V2

LED硬件原理图

这些LED灯的阴极都是连接到STM32的GPIO引脚,只要我们控制GPIO引脚的电平输出状态,即可控制LED灯的亮灭。图中左上方, 其中彩灯的阳极连接到的一个电路图符号,它表示引出排针,即此处本身断开,须通过跳线帽连接排针,把电源跟彩灯的阳极连起来,实验时需注意。

若您使用的实验板LED灯的连接方式或引脚不一样,只需根据我们的工程修改引脚即可,程序的控制原理相同。

11.2. 软件设计

这里只讲解核心部分的代码,有些变量的设置,头文件的包含等可能不会涉及到,完整的代码请参考本章配套的工程。

为了使工程更加有条理,我们把LED灯控制相关的代码独立分开存储,方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_led.c”及“bsp_led.h”文件, 其中的“bsp”即Board Support Packet的缩写(板级支持包),这些文件也可根据您的喜好命名, 这些文件不属于STM32标准库的内容,是由我们自己根据应用需要编写的。

11.2.1. 编程要点

  1. 使能GPIO端口时钟;

  2. 初始化GPIO目标引脚为推挽输出模式;

  3. 编写简单测试程序,控制GPIO引脚输出高、低电平。

11.2.2. 代码分析

11.2.2.1. LED灯引脚宏定义

在编写应用程序的过程中,要考虑更改硬件环境的情况,例如LED灯的控制引脚与当前的不一样, 我们希望程序只需要做最小的修改即可在新的环境正常运行。这个时候一般把硬件相关的部分使用宏来封装,若更改了硬件环境, 只修改这些硬件相关的宏即可,这些定义一般存储在头文件,即本例子中的“bsp_led.h”文件中, 具体见 代码清单:GPIO输出-1

代码清单:GPIO输出-1 LED控制引脚相关的宏
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//引脚定义
/*******************************************************/
//R 红色灯
#define LED1_PIN                  GPIO_Pin_10
#define LED1_GPIO_PORT            GPIOH
#define LED1_GPIO_CLK             RCC_AHB1Periph_GPIOH

//G 绿色灯
#define LED2_PIN                  GPIO_Pin_11
#define LED2_GPIO_PORT            GPIOH
#define LED2_GPIO_CLK             RCC_AHB1Periph_GPIOH

//B 蓝色灯
#define LED3_PIN                  GPIO_Pin_12
#define LED3_GPIO_PORT            GPIOH
#define LED3_GPIO_CLK             RCC_AHB1Periph_GPIOH
/************************************************************/

以上代码分别把控制四盏LED灯的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。在实际控制的时候我们就直接用这些宏,以达到应用代码跟硬件无关的效果。

其中的GPIO时钟宏“RCC_AHB1Periph_GPIOH”和“RCC_AHB1Periph_GPIOD”是STM32标准库定义的GPIO端口时钟相关的宏,它的作用与“GPIO_Pin_x”这类宏类似, 是用于指示寄存器位的,方便库函数使用。它们分别指示GPIOH、GPIOD的时钟,下面初始化GPIO时钟的时候可以看到它的用法。

11.2.2.2. 控制LED灯亮灭状态的宏定义

为了方便控制LED灯,我们把LED灯常用的亮、灭及状态反转的控制也直接定义成宏, 具体见 代码清单:GPIO输出-2

代码清单:GPIO输出-2 控制LED亮灭的宏
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/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define digitalHi(p,i)                  {p->BSRRL=i;}  //设置为高电平
#define digitalLo(p,i)                  {p->BSRRH=i;}   //输出低电平
#define digitalToggle(p,i)              {p->ODR ^=i;}   //输出反转状态


/* 定义控制IO的宏 */
#define LED1_TOGGLE     digitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
#define LED1_OFF        digitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
#define LED1_ON         digitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

#define LED2_TOGGLE     digitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
#define LED2_OFF        digitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
#define LED2_ON         digitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

#define LED3_TOGGLE     digitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
#define LED3_OFF        digitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
#define LED3_ON         digitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

/* 基本混色,后面高级用法使用PWM可混出全彩颜色,且效果更好 */

//红
#define LED_RED  \
                    LED1_ON;\
                    LED2_OFF;\
                    LED3_OFF

//绿
#define LED_GREEN       \
                    LED1_OFF;\
                    LED2_ON;\
                    LED3_OFF

//蓝
#define LED_BLUE    \
                    LED1_OFF;\
                    LED2_OFF;\
                    LED3_ON


//黄(红+绿)
#define LED_YELLOW  \
                    LED1_ON;\
                    LED2_ON;\
                    LED3_OFF

这部分宏控制LED亮灭的操作是直接向BSRR寄存器写入控制指令来实现的,对BSRRL写1输出高电平,对BSRRH写1输出低电平,对ODR寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。

RGB彩灯可以实现混色,如最后一段代码我们控制红灯和绿灯亮而蓝灯灭,可混出黄色效果。

代码中的“”是C语言中的续行符语法,表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。 代码中因为宏定义关键字“#define”只是对当前行有效,所以我们使用续行符来连接起来,以下的代码是等效的:

#define LED_YELLOW LED1_ON; LED2_ON; LED3_OFF

应用续行符的时候要注意,在“”后面不能有任何字符(包括注释、空格),只能直接回车。

11.2.2.3. LED GPIO初始化函数

利用上面的宏,编写LED灯的初始化函数,具体见 代码清单:GPIO输出-3

代码清单:GPIO输出-3 LED GPIO初始化函数
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void LED_GPIO_Config(void)
{
    /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
    RCC_AHB1PeriphClockCmd ( LED1_GPIO_CLK|
                            LED2_GPIO_CLK|
                            LED3_GPIO_CLK|
                            LED4_GPIO_CLK,
                            ENABLE);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_PIN;

    /*设置引脚模式为输出模式*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;

    /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

    /*设置引脚为上拉模式*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;

    /*设置引脚速率为2MHz */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

    /*调用库函数,使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/
    GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED2_PIN;
    GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED3_PIN;
    GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED4_PIN;
    GPIO_Init(LED4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);


    /*关闭RGB灯*/
    LED_RGBOFF;
}

整个函数与“构建库函数雏形 ”章节中的类似,主要区别是硬件相关的部分使用宏来代替了,初始化GPIO端口时钟时也采用了STM32库函数,函数执行流程如下:

(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量, 以便下面用于存储GPIO配置。

(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能LED灯的GPIO端口时钟,在前面的章节中我们是直接向RCC寄存器赋值来使能时钟的, 不如这样直观。该函数有两个输入参数,第一个参数用于指示要配置的时钟,如本例中的“RCC_AHB1Periph_GPIOH”和“RCC_AHB1Periph_GPIOD”, 应用时我们使用“|”操作同时配置四个LED灯的时钟;函数的第二个参数用于设置状态,可输入“Disable”关闭或“Enable”使能时钟。

(3) 向GPIO初始化结构体赋值,把引脚初始化成推挽输出模式,其中的GPIO_Pin使用宏“LEDx_PIN”来赋值, 使函数的实现方便移植。

(4) 使用以上初始化结构体的配置,调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数,完成GPIO的初始化, 这里的GPIO端口使用“LEDx_GPIO_PORT”宏来赋值,也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体,只修改控制的引脚和端口, 初始化其它LED灯使用的GPIO引脚。

(6) 使用宏控制RGB灯默认关闭,LED4指示灯默认开启。

11.2.2.4. 主函数

编写完LED灯的控制函数后,就可以在main函数中测试了,具体见 代码清单:GPIO输出-4

代码清单:GPIO输出-4 控制LED灯 ,main文件
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#include "stm32f4xx.h"
#include "./led/bsp_led.h"

void Delay(__IO u32 nCount);

/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* LED 端口初始化 */
    LED_GPIO_Config();

    /* 控制LED灯 */
    while (1) {
        LED1( ON );      // 亮
        Delay(0xFFFFFF);
        LED1( OFF );      // 灭

        LED2( ON );     // 亮
        Delay(0xFFFFFF);
        LED2( OFF );      // 灭

        LED3( ON );      // 亮
        Delay(0xFFFFFF);
        LED3( OFF );      // 灭

        /*轮流显示 红绿蓝黄紫青白 颜色*/
        LED_RED;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_GREEN;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_BLUE;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_YELLOW;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_PURPLE;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_CYAN;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_WHITE;
        Delay(0xFFFFFF);

        LED_RGBOFF;
        Delay(0xFFFFFF);
    }
}

void Delay(__IO uint32_t nCount)   //简单的延时函数
{
    for (; nCount != 0; nCount--);
}

在main函数中,调用我们前面定义的LED_GPIO_Config初始化好LED的控制引脚,然后直接调用各种控制LED灯亮灭的宏来实现LED灯的控制。

以上,就是一个使用STM32标准软件库开发应用的流程。

11.3. 下载验证

把编译好的程序下载到开发板并复位,可看到RGB彩灯轮流显示不同的颜色。

11.4. STM32标准库补充知识

11.4.1. SystemInit函数去哪了?

在前几章我们自己建工程的时候需要定义一个SystemInit空函数,但是在这个用STM32标准库的工程却没有这样做,SystemInit函数去哪了呢?

这个函数在STM32标准库的“system_stm32f4xx.c”文件中定义了,而我们的工程已经包含该文件。 标准库中的SystemInit函数把STM32芯片的系统时钟设置成了180MHz,即此时AHB1时钟频率为180MHz,APB2为90MHz,APB1为45MHz。 当STM32芯片上电后,执行启动文件中的指令后,会调用该函数,设置系统时钟为以上状态。

11.4.2. 断言

细心对比过前几章我们自己定义的GPIO_Init函数与STM32标准库中同名函数的读者,会发现标准库中的函数内容多了一些乱七八糟的东西, 见 代码清单:GPIO输出-5

代码清单:GPIO输出-5 GPIO_Init函数的断言部分
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void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
{
    uint32_t pinpos = 0x00, pos = 0x00 , currentpin = 0x00;

    /* Check the parameters */
    assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
    assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));
    assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));
    assert_param(IS_GPIO_PUPD(GPIO_InitStruct->GPIO_PuPd));

    /* ------- 以下内容省略,跟前面我们定义的函数内容相同----- */

基本上每个库函数的开头都会有这样类似的内容,这里的“assert_param”实际是一个宏,在库函数中它用于检查输入参数是否符合要求, 若不符合要求则执行某个函数输出警告,“assert_param”的定义见 代码清单:GPIO输出-6

代码清单:GPIO输出-6 stm32f4xx_conf.h文件中关于断言的定义
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#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief  assert_param 宏用于函数的输入参数检查
* @param  expr:若expr值为假,则调用assert_failed函数
*             报告文件名及错误行号
*              若expr值为真,则不执行操作
*/
#define assert_param(expr) \
        ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
/* 错误输出函数 ------------------------------------------------------- */
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
#else
#define assert_param(expr) ((void)0)
#endif

这段代码的意思是,假如我们不定义“USE_FULL_ASSERT”宏,那么“assert_param”就是一个空的宏(#else与#endif之间的语句生效), 没有任何操作。从而所有库函数中的assert_param实际上都无意义,我们就当看不见好了。

假如我们定义了“USE_FULL_ASSERT”宏,那么“assert_param”就是一个有操作的语句(#if与#else之间的语句生效), 该宏对参数expr使用C语言中的问号表达式进行判断,若expr值为真,则无操作(void 0),若表达式的值为假,则调用“assert_failed”函数, 且该函数的输入参数为“__FILE__”及“__LINE__”,这两个参数分别代表 “assert_param”宏被调用时所在的“文件名”及“行号”。

但库文件只对“assert_failed”写了函数声明,没有写函数定义,实际用时需要用户来定义,我们一般会用printf函数来输出这些信息, 见 代码清单:GPIO输出-7

代码清单:GPIO输出-7 assert_failed 输出错误信息
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void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
    printf(“\r\n 输入参数错误,错误文件名=%s,行号=%s”,file,line);
}

注意在我们的这个LED工程中,还不支持printf函数(在USART外设章节会讲解),想测试assert_failed输出的读者,可以在这个函数中做点亮红色LED灯的操作, 作为警告输出测试。

那么为什么函数输入参数不对的时候,assert_param宏中的expr参数值会是假呢?这要回到GPIO_Init函数,看它对assert_param宏的调用, 它被调用时分别以“IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx)”、“IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin)”等作为输入参数,也就是说被调用时, expr实际上是一条针对输入参数的判断表达式。例如“IS_GPIO_PIN”的宏定义:

#define IS_GPIO_PIN(PIN) ((PIN) != (uint32_t)0x00)

若它的输入参数 PIN 值为0,则表达式的值为假,PIN非0时表达式的值为真。我们知道用于选择GPIO引脚号的宏“GPIO_Pin_x”的值至少有一个数据位为1, 这样的输入参数才有意义,若GPIO_InitStruct->GPIO_Pin的值为0,输入参数就无效了。配合“IS_GPIO_PIN”这句表达式, “assert_param”就实现了检查输入参数的功能。对assert_param宏的其它调用方式类似,大家可以自己看库源码来研究一下。

11.4.3. Doxygen注释规范

在STM32标准库以及我们自己编写的“bsp_led.c”文件中,可以看到一些比较特别的注释,类似 代码清单:GPIO输出-8

代码清单:GPIO输出-8 Doxygen注释规范
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/**
* @brief  初始化控制LED的IO
* @param  无
* @retval 无
*/

这是一种名为“Doxygen”的注释规范,如果在工程文件中按照这种规范去注释,可以使用Doxygen软件自动根据注释生成帮助文档。 我们所说非常重要的库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》,就是由该软件根据库文件的注释生成的。 关于Doxygen注释规范本教程不作讲解,感兴趣的读者可自行搜索网络上的资料学习。

11.4.4. 防止头文件重复包含

在STM32标准库的所有头文件以及我们自己编写的“bsp_led.h”头文件中,可看到类似 代码清单:GPIO输出-9 的宏定义。 它的功能是防止头文件被重复包含,避免引起编译错误。

代码清单:GPIO输出-9 防止头文件重复包含的宏
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#ifndef __LED_H
#define __LED_H

/*此处省略头文件的具体内容*/

#endif /* end of __LED_H */

在头文件的开头,使用“#ifndef”关键字,判断标号“__LED_H”是否被定义,若没有被定义,则从“#ifndef”至“#endif”关键字之间的内容都有效, 也就是说,这个头文件若被其它文件“#include”,它就会被包含到其该文件中了,且头文件中紧接着使用“#define”关键字定义上面判断的标号“__LED_H”。 当这个头文件被同一个文件第二次“#include”包含的时候,由于有了第一次包含中的“#define __LED_H”定义,这时再判断“#ifndef__LED_H”, 判断的结果就是假了,从“#ifndef”至“#endif”之间的内容都无效,从而防止了同一个头文件被包含多次,编译时就不会出现“redefine(重复定义)”的错误了。

一般来说,我们不会直接在C的源文件写两个“#include”来包含同一个头文件,但可能因为头文件内部的包含导致重复,这种代码主要是避免这样的问题。 如“bsp_led.h”文件中使用了“#include “stm32f4xx.h””语句,按习惯,可能我们写主程序的时候会在main文件写“#include “bsp_led.h” 及#include “stm32f4xx.h””, 这个时候“stm32f4xx.h”文件就被包含两次了,如果没有这种机制,就会出错。

至于为什么要用两个下划线来定义“__LED_H”标号,其实这只是防止它与其它普通宏定义重复了,如我们用“GPIO_PIN_0”来代替这个判断标号, 就会因为stm32f4xx.h已经定义了GPIO_PIN_0,结果导致“bsp_led.h”文件无效了,“bsp_led.h”文件一次都没被包含。