2. STM32基础外设实战：GPIO、定时器、PWM生成
做机器人控制，说白了就是跟三个东西打交道：信号输入、信号处理、信号输出。而STM32的GPIO、定时器和PWM，恰好覆盖了这三块。我刚开始做电机驱动时，总觉得这些外设太基础，结果一上伺服电机就翻车——不是PWM频率不对，就是定时器溢出导致电机抖动。嗯，这一章咱们就把这些坑填上。
2.1 GPIO：机器人的“手脚”
GPIO（通用输入输出）是STM32最基础的外设。你可以把它想象成芯片的“手脚”——用来感知外部信号，或者控制外部设备。
2.1.1 GPIO工作模式
STM32的GPIO有8种工作模式，但做机器人控制，我们主要用这几种：
| 模式 | 用途 | 典型场景 |
|---|---|---|
| 推挽输出 | 输出高低电平，驱动能力强 | 控制LED、继电器、电机使能脚 |
| 开漏输出 | 需要外部上拉，实现“线与”逻辑 | I2C通信、多设备共享中断线 |
| 浮空输入 | 电平由外部决定，内部无上下拉 | 读取外部信号（需外部上拉/下拉） |
| 上拉/下拉输入 | 内部有弱上拉或弱下拉 | 按键检测、编码器信号读取 |
| 复用功能 | GPIO引脚被外设接管 | 定时器PWM输出、串口通信 |
2.1.2 GPIO配置实战
用STM32CubeMX配置GPIO很简单，但有几个细节要注意：
- 输出速度：控制电机使能脚用低速（2MHz）就够了，但PWM输出脚建议用高速（50MHz或100MHz），否则波形会变形。
- 上下拉电阻：编码器信号输入，我习惯用上拉输入。因为编码器输出通常是开漏，需要外部上拉才能读到正确电平。
- GPIO初始化顺序：先配置时钟，再配置GPIO模式，最后设置初始电平。顺序错了，引脚可能会先输出一个不确定的电平。
// 以STM32F407为例，配置PA0为推挽输出
// 使能GPIOA时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 初始输出低电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);2.2 定时器：机器人的“心跳”
机器人运动控制，本质上就是“在正确的时间做正确的事”。定时器就是那个负责“计时”的核心部件。
2.2.1 STM32定时器家族
STM32的定时器分三类，各有各的用途：
| 类型 | 位数 | 主要功能 | 机器人应用 |
|---|---|---|---|
| 基本定时器（TIM6/TIM7） | 16位 | 基础定时、触发DAC | 周期性任务调度 |
| 通用定时器（TIM2~TIM5） | 16/32位 | PWM、输入捕获、输出比较 | 电机PWM、编码器测速 |
| 高级定时器（TIM1/TIM8） | 16位 | 带死区插入的PWM、刹车功能 | 伺服电机控制、BLDC驱动 |
2.2.2 定时器工作原理
定时器的核心是一个计数器，它从0开始计数，计到预设值（ARR）后溢出，然后重新从0开始。这个过程就是一次“定时”。
计算公式很简单：
定时时间 = (ARR + 1) × (PSC + 1) / 定时器时钟频率
举个例子：定时器时钟是84MHz，我想产生1ms的中断：
- 预分频器PSC设为83（84MHz / (83+1) = 1MHz，即1us计数一次）
- 自动重装载ARR设为999（计数1000次，即1000us = 1ms）
// 配置TIM2产生1ms中断
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 83; // 84MHz / 84 = 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999; // 计数1000次
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动定时器并开启中断2.3 PWM生成：伺服电机的“油门”
PWM（脉冲宽度调制），说白了就是通过调节高电平的占空比来控制输出功率。伺服电机就是靠PWM信号来控制转速和位置的。
2.3.1 PWM关键参数
| 参数 | 含义 | 伺服电机典型值 |
|---|---|---|
| 频率 | 每秒PWM周期数 | 10kHz~50kHz |
| 占空比 | 高电平时间占整个周期的比例 | 0%~100% |
| 分辨率 | 占空比可调节的精细程度 | 8位（256级）~16位（65536级） |
你想想看，分辨率越高，电机控制就越精细。但分辨率高了，ARR值就大，在相同时钟频率下，PWM频率就会降低。这是个取舍问题。
2.3.2 用定时器生成PWM
STM32生成PWM，本质就是让定时器的输出通道在计数器值小于CCR（捕获比较寄存器）时输出高电平，大于CCR时输出低电平。
// 配置TIM1通道1输出PWM，频率20kHz，占空比50%
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
// 假设定时器时钟168MHz，预分频167，ARR值499
// PWM频率 = 168MHz / (167+1) / (499+1) = 20kHz
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 167;
htim1.Init.Period = 499;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // PWM模式1
sConfigOC.Pulse = 250; // 占空比50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM输出2.3.3 动态调整占空比
控制伺服电机，占空比需要实时变化。直接修改CCR值就行：
// 动态调整占空比，pulse范围0~499
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pulse);但要注意：不要在中断里频繁调用这个函数。我见过有人每1us改一次占空比，结果CPU全耗在PWM更新上了，其他任务全卡死。一般控制周期设在1ms~10ms就够用了。
2.4 本章知识体系
下面这张图把GPIO、定时器、PWM的关系串起来了：
2.5 避坑指南
做伺服电机控制，这几个坑我几乎都踩过：
- PWM频率太低：电机发出“滋滋”声，甚至振动。解决方案：频率提到10kHz以上。
- GPIO驱动能力不足：直接驱动伺服电机的使能脚，结果电平拉不上去。解决方案：加三极管或光耦隔离。
- 定时器溢出中断优先级设置不当：导致电机控制周期抖动。解决方案：把定时器中断优先级设高，避免被其他中断打断。
- PWM占空比突变：电机电流瞬间飙升，可能烧驱动。解决方案：做占空比渐变处理，每次只改变一小步。