4. 开发环境搭建
各位同学，欢迎来到第四讲。前面我们聊了STM32的时钟树和启动流程，今天要讲的是真正让电机“动起来”的核心——GPIO和定时器。这两个外设，说白了就是MCU的“手脚”和“心跳”。
我刚开始做运动控制时，总觉得GPIO不就是个高低电平嘛，有什么好研究的？直到有一次，一个步进电机驱动器死活不响应脉冲，查了两天发现是GPIO开漏输出没加上拉电阻……嗯，从那以后我再也不敢小看GPIO的配置了。
4.1 GPIO模式配置：推挽与开漏
GPIO的模式，我习惯把它分成两大类：推挽输出和开漏输出。你想想看，一个引脚要输出高电平或低电平，内部电路是怎么实现的？
4.1.1 推挽输出（Push-Pull）
推挽输出，内部有两个MOS管：一个负责“推”（输出高电平），一个负责“挽”（输出低电平）。
- 输出高电平时：上管导通，下管截止，引脚直接连到VDD。
- 输出低电平时：上管截止，下管导通，引脚直接连到GND。
这种模式的好处是驱动能力强，电平切换速度快。我在驱动LED指示灯或直接控制继电器时，首选推挽输出。
适用场景：普通数字信号输出、LED控制、蜂鸣器驱动、直接连接数字输入引脚。
4.1.2 开漏输出（Open-Drain）
开漏输出就只有一个下管。输出低电平时，下管导通，引脚接地。输出高电平时呢？下管截止，引脚处于高阻态——说白了，它自己拉不上去，必须靠外部上拉电阻。
为什么要用这么麻烦的方式？我举个例子：I2C总线。多个设备挂在同一条线上，如果都用推挽输出，一个设备输出高电平，另一个输出低电平，那就短路了。开漏输出配合上拉电阻，实现了“线与”逻辑——任何一个设备拉低，总线就是低电平。
我的习惯：开漏输出一般配上4.7kΩ或10kΩ的上拉电阻。频率高时用4.7kΩ，频率低时10kΩ就够了。我曾经在I2C上用过100kΩ上拉，结果波形圆得像正弦波……
4.1.3 模式对比
| 特性 | 推挽输出 | 开漏输出 |
|---|---|---|
| 输出高电平 | 直接VDD | 需外部上拉 |
| 输出低电平 | 直接GND | 直接GND |
| 驱动能力 | 强 | 弱（取决于上拉） |
| 多设备共用 | 不适用 | 适用（线与） |
| 典型应用 | LED、普通信号 | I2C、电平转换 |
4.2 定时器工作原理
定时器是运动控制的灵魂。你要产生PWM波驱动电机，要测量编码器的脉冲宽度，都离不开它。STM32的定时器家族很庞大，但核心原理就一个：计数器 + 比较器。
4.2.1 基本定时器结构
一个定时器内部，大致有这几个部分：
- 预分频器（PSC）：把时钟源分频，决定计数步长。
- 计数器（CNT）：向上、向下或双向计数。
- 自动重装载寄存器（ARR）：计到多少值就溢出或重置。
- 捕获/比较寄存器（CCR）：用来和CNT比较，产生事件。
举个例子：时钟是72MHz，预分频器设为72-1，那么计数器每1微秒加1。ARR设为999，就是每1000微秒（1毫秒）溢出一次。这就是一个1ms的定时器。
注意：预分频器和ARR的值都要减1！因为计数器是从0开始计数的。我见过很多新手直接写72和1000，结果定时时间完全不对。
4.2.2 PWM输出模式
PWM，就是脉冲宽度调制。说白了，就是固定频率下，改变高电平的占空比。电机调速、舵机控制，全靠它。
配置PWM时，ARR决定周期，CCR决定占空比。比如ARR=999，CCR=500，那么占空比就是50%。
// 以TIM2为例，配置PWM输出
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71; // 72MHz / (71+1) = 1MHz
htim2.Init.Period = 999; // 1MHz / (999+1) = 1kHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500; // 占空比 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);这段代码配置了1kHz的PWM，占空比50%。你改Pulse的值，就能实时调整电机速度。
4.2.3 输入捕获模式
输入捕获，是用来测量外部信号的。比如你要测一个脉冲的宽度，或者编码器输出的频率。
工作原理很简单：当引脚检测到指定的边沿（上升沿或下降沿）时，定时器会把当前CNT的值“捕获”到CCR寄存器里。两次捕获的差值，就是信号的周期或脉宽。
实战经验：我在做无刷电机FOC控制时，用输入捕获来读取霍尔传感器的换相信号。注意要配置好滤波器和预分频，不然电机高速转动时，捕获到的值会跳变。
4.3 中断优先级管理
中断，是实时系统的命脉。STM32使用NVIC（嵌套向量中断控制器）来管理中断优先级。这里有两个关键概念：抢占优先级和子优先级。
- 抢占优先级：数字越小，优先级越高。高抢占优先级可以打断低抢占优先级的中断。
- 子优先级：当抢占优先级相同时，子优先级决定谁先执行。但子优先级不能互相打断。
我一般这样分配：
| 中断类型 | 抢占优先级 | 子优先级 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 电机过流保护 | 0 | 0 | 最高优先级，必须立即响应 |
| 定时器PWM更新 | 1 | 0 | 控制周期中断 |
| 编码器输入捕获 | 1 | 1 | 与PWM同级，但子优先级低 |
| 串口接收 | 2 | 0 | 通信中断，可被电机中断打断 |
避坑指南：我曾经把串口中断优先级设得比定时器还高，结果电机控制周期被频繁打断，导致电机抖动。记住：运动控制的中断优先级一定要高于通信中断。
4.4 SysTick定时器应用
SysTick是Cortex-M内核自带的24位递减计数器。它不依赖外设定时器，每个Cortex-M芯片都有。HAL库的HAL_Delay()就是基于SysTick实现的。
SysTick的典型用途：
- 提供系统心跳：一般配置为1ms中断一次，用于任务调度。
- 精确延时：替代软件延时，不阻塞CPU。
- 时间基准：为其他定时器提供同步时钟。
配置SysTick很简单：
// 系统时钟72MHz，SysTick每1ms中断一次
HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / 1000);
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 15, 0); // 最低优先级注意，SysTick的优先级我一般设成最低（15）。为什么？因为SysTick中断只是用来维护系统时钟，不应该打断更重要的电机控制中断。
我的习惯：在电机控制主循环里，用SysTick做超时判断。比如等待编码器归零信号，如果超过100ms没收到，就报错停机。这样既不会死等，又能保证实时性。
4.5 本章知识结构
下面这张图，把本章的核心知识点串起来了。你可以把它当作一个快速索引。