【星云 Orbit-F4 开发板】02. 探索GPIO：点亮你的 LED 灯

【星云 Orbit-F4 开发板】02. 探索GPIO：点亮你的 LED 灯

博客上文章配合以下星系列开发板，所有资料均会开源。致力点燃学生对技术的热情，培养“懂理论能实战”的嵌入式人才。愿你们所行风雨无阻，前程似锦。

核心板型号	处理器参数	学习定位	典型应用场景
极光 Orbit-C8	STC8H8K64U（51架构/24MHz）	单片机原理与应用	GPIO控制/UART通信
星火 Orbit-F1	STM32F103RET6（Cortex-M3/72MHz）	ARM应用开发实践	智能小车/物联网节点
星云 Orbit-F4		实时操作系统进阶	四轴飞控/工业网关
星界 Orbit-H7	STM32H743IIT6（双核480MHz+AI加速器）	嵌入式AI与边缘计算	机器视觉/预测性维护

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引言

STM32F407是一款功能强大的32位微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统中。本文将详细介绍如何使用STM32F407的PC0-PC3引脚控制LED灯，并通过HAL库实现模块化设计。通过本教程，读者将能够掌握GPIO配置、LED控制以及模块化编程的基本方法。

硬件准备

在开始编程之前，确保您已经准备好以下硬件：

1. 星云 Orbit-F4 开发板：板载STM32F407VGT6（Cortex-M4/168MHz）作为主控芯片。
2. 板载 LED灯：4个LED灯，颜色不限。
3. 开发板设有限流电阻：4个220Ω至330Ω的电阻，用于保护LED灯。

硬件连接

将LED灯连接到STM32F407的PC0-PC3引脚：

1. 连接LED的正极：

   • LED1的负极通过电阻连接到PC0。
   • LED2的负极通过电阻连接到PC1。
   • LED3的负极通过电阻连接到PC2。
   • LED4的负极通过电阻连接到PC3。

2. 连接LED的正极：

   • 所有LED的正极连接到 3.3V（VCC）电源。

GPIO配置

在STM32F407中，GPIO引脚可以配置为多种模式，以适应不同的应用需求。以下是一些常见的GPIO模式：

1. 输入模式：

   • 浮空输入（Floating Input）：引脚处于高阻态，适用于不需要上拉或下拉的情况。
   • 上拉输入（Pull-Up Input）：引脚内部连接上拉电阻，适用于外部信号为低电平有效的情况。
   • 下拉输入（Pull-Down Input）：引脚内部连接下拉电阻，适用于外部信号为高电平有效的情况。

2. 输出模式：

   • 推挽输出（Push-Pull Output）：引脚可以输出高电平或低电平，适用于直接驱动小电流负载，如LED灯。
   • 开漏输出（Open-Drain Output）：引脚输出低电平或高阻态，适用于需要外部上拉电阻的场合。

3. 复用模式：

   • 用于将GPIO引脚配置为特定的外设功能，如UART、SPI等。

在本教程中，我们将使用推挽输出模式来控制LED灯，因为这种模式可以直接驱动LED灯而无需额外的上拉电阻。

配置GPIO时钟：

在使用GPIO引脚之前，需要先使能相应的GPIO时钟。对于PC0-PC3引脚，需要使能GPIOC时钟。

// 使能GPIOC时钟
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

配置GPIO引脚：

使用GPIO_InitTypeDef结构体配置GPIO引脚的模式、上下拉、速度等参数。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 配置PC0-PC3为推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速

HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

LED控制模块

为了实现模块化设计，我们将LED的控制功能封装到bsp/LED目录下的bsp_led.c和bsp_led.h文件中。

1. 创建LED目录

1. 打开文件管理器：

   • 导航到STM32F407项目目录下的Drivers/BSP文件夹。

2. 创建新目录：

   • 右键点击空白区域，选择新建文件夹。
   • 输入目录名称LED，并按回车键确认。

2. 创建bsp_led.c和bsp_led.h文件

• 确保bsp_led.c和bsp_led.h文件当前位于Drivers/BSP目录下。

3. 更新项目包含路径

1. 打开Keil MDK：

   • 加载当前的STM32F407项目。

2. 进入项目设置：

   • 右键点击工程名称，选择Options for Target。

3. 添加新的包含路径：

   • 在弹出的窗口中，选择C/C++选项卡。
   • 在Include Paths字段中，添加以下路径：

     Drivers/BSP/LED
     

   • 确保路径正确无误，点击OK保存设置。

4. 更新main.c文件

1. 打开main.c文件：

   • 在Keil MDK的项目资源管理器中，找到并双击main.c文件。

2. 包含新的头文件：

   • 在文件顶部，添加以下包含语句：

     #include "bsp_led.h"
     

   • 确保路径正确，以便编译器能够找到该头文件。

5. 重新编译项目

1. 编译工程：

   • 点击工具栏中的Build按钮（或按F7键）。
   • 确保编译过程中没有错误和警告。

2. 处理编译错误：

   • 如果出现包含路径错误，请检查Include Paths设置是否正确。
   • 确保bsp_led.h文件位于Drivers/BSP/LED目录下。

6. 更新项目分组

1. 添加新的文件夹分组：

   • 在Keil MDK的项目资源管理器中，右键点击BSP分组，选择Add Group。
   • 输入分组名称LED，点击OK。

2. 添加文件到分组：

   • 右键点击新的LED分组，选择Add New Item to Group。
   • 选择Add Existing File，导航到Drivers/BSP/LED目录，选择bsp_led.c和bsp_led.h文件，点击OK。

3. 确保文件可见性：

   • 确保bsp_led.c和bsp_led.h文件在LED分组下可见，并且路径正确。

LED控制模块实现

bsp_led.h文件

#ifndef __BSP_LED_H
#define __BSP_LED_H

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define LED_COUNT 4  // 定义LED的数量
#define BLINK_DELAY 500  // 定义闪烁延迟时间（毫秒）

/**
 * @brief 初始化LED
 */
void LED_Init(void);

/**
 * @brief 打开指定的LED
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_On(uint8_t led_number);

/**
 * @brief 关闭指定的LED
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_Off(uint8_t led_number);

/**
 * @brief 切换指定的LED状态
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_Toggle(uint8_t led_number);

/**
 * @brief 让指定的LED闪烁一次
 * @param led_number LED编号（0-3）
 * @param delay 延迟时间（毫秒）
 */
void LED_Blink(uint8_t led_number, uint32_t delay);

#endif /* __BSP_LED_H */

bsp_led.c文件

#include "bsp_led.h"

/**
 * @brief 初始化LED
 */
void LED_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能GPIOC时钟
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    // 配置PC0-PC3为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

/**
 * @brief 关闭打开指定的LED
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_Off(uint8_t led_number)
{
    switch(led_number)
    {
        case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); break;
        case 1: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); break;
        case 2: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET); break;
        case 3: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET); break;
        default: break;
    }
}

/**
 * @brief 打开指定的LED
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_On(uint8_t led_number)
{
    switch(led_number)
    {
        case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); break;
        case 1: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); break;
        case 2: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET); break;
        case 3: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET); break;
        default: break;
    }
}

/**
 * @brief 切换指定的LED状态
 * @param led_number LED编号（0-3）
 */
void LED_Toggle(uint8_t led_number)
{
    switch(led_number)
    {
        case 0: HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0); break;
        case 1: HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_1); break;
        case 2: HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_2); break;
        case 3: HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_3); break;
        default: break;
    }
}

/**
 * @brief 让指定的LED闪烁一次
 * @param led_number LED编号（0-3）
 * @param delay 延迟时间（毫秒）
 */
void LED_Blink(uint8_t led_number, uint32_t delay)
{
    LED_On(led_number);
    HAL_Delay(delay);
    LED_Off(led_number);
    HAL_Delay(delay);
}

主程序实现

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "bsp_led.h"

int main(void)
{
    // 系统初始化
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    // LED初始化
    LED_Init();

    while (1)
    {
        // 逐个闪烁LED灯
        LED_Blink(0, BLINK_DELAY); // PC0闪烁
        LED_Blink(1, BLINK_DELAY); // PC1闪烁
        LED_Blink(2, BLINK_DELAY); // PC2闪烁
        LED_Blink(3, BLINK_DELAY); // PC3闪烁
    }
}

测试与验证

1. 编译与下载：

   • 将代码编译并下载到STM32F407开发板中。

2. 观察LED灯：

   • 连接好硬件后，LED灯应该按照程序的设置逐个闪烁。如果LED灯没有闪烁，检查硬件连接和代码配置是否正确。

总结

通过本教程，您已经掌握了如何使用STM32F407的PC0-PC3引脚控制LED灯，并通过HAL库实现模块化设计。GPIO模式的配置是关键步骤，选择合适的模式可以确保LED灯的正常工作。模块化设计使代码更加清晰和易于维护，为后续的项目扩展奠定了良好的基础。希望本教程对您有所帮助，祝您在嵌入式开发的道路上取得更大的成功！