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普中STM32F103ZET6开发攻略（三）

news 来源：原创 2025/6/6 5:13:18

接续上文：普中STM32F103ZET6开发攻略（二）-CSDN博客

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3.GPIO端口实验_中断控制：

3.1 实验目的：

3.2 实验环境：

3.3 实验原理

3.4 实验思路

3.5 实验代码

3.5.1 LED头、源

3.5.2 key头、源

3.5.3 beep头、源

3.5.4 exit头、源

3.5.5 实验现象

3.6 实验思考和拓展

3.6.1 如何增强中断服务函数中的按键消抖处理，使其更加可靠？

3.6.2 如何通过修改中断优先级，实现不同按键间的优先级控制？

3.6.3 如何在中断服务函数中实现按键长按和短按的区分？

3.6.4 如何实现组合按键功能（同时按下多个按键）？在中断方式下有何困难？

3.6.5 中断方式与轮询方式检测按键各有什么优缺点？在什么场景下选择中断方式更合适？

3.7 注意事项

3.GPIO端口实验_中断控制：

3.1 实验目的：

熟悉STM32F10x微控制器的外部中断(EXTI)系统结构和基本操作

掌握STM32标准库函数对外部中断的配置方法

学会使用中断方式处理按键输入，控制LED和蜂鸣器的工作状态

理解中断优先级设置和中断服务函数编写原则

3.2 实验环境：

开发板：STM32F103ZET6
IDE：Keil MDK 5 /Visual Studio
调试工具：CMSIS-DAP

3.3 实验原理

1. *外部中断基本原理*

STM32的外部中断系统可以监测IO口电平变化，并在符合预设触发条件时执行中断服务函数。触发条件包括：

上升沿触发：电平从低变高时触发中断

下降沿触发：电平从高变低时触发中断

双边沿触发：电平变化时均触发中断本实验中KEY_UP按键使用上升沿触发，KEY0、KEY1、KEY2按键使用下降沿触发。

2. *中断优先级控制*

STM32微控制器通过嵌套向量中断控制器(NVIC)管理各种中断请求。中断优先级分为抢占优先级和子优先级：

抢占优先级：决定是否可以打断当前正在执行的中断服务函数

子优先级：决定同时发生的同级抢占优先级中断的执行顺序

当抢占优先级相同时比较子优先级谁的数字更小谁先执行

3. *中断消抖技术*

机械按键在中断模式下仍需要消抖处理，通常的做法是在中断服务函数中加入短时延时，再次检测按键状态以确认。

4. *LED和蜂鸣器控制原理*

本实验板上的LED采用共阳极连接方式，GPIO输出低电平时LED点亮；蜂鸣器则是GPIO输出高电平时发声。

3.4 实验思路

3.5 实验代码

3.5.1 LED头、源

led.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_H

#include "stm32f10x.h"

#define LED0_GPIO_PORT GPIOB
#define LED0_GPIO_PIN  GPIO_Pin_5 //LED0

#define LED1_GPIO_PORT GPIOE
#define LED1_GPIO_PIN  GPIO_Pin_5 //LED1

void LED_Init(void);
void LED0_TOGGLE(void);
void LED1_ON(void);
void LED1_OFF(void);

#endif

led.c

#include "led.h"

void LED_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 开启 GPIOB 和 GPIOE 的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
//配置PB5（LED0）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED0_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(LED0_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
//配置PE5（LED1）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
//低电平输出GPIO_ResetBits(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN);GPIO_ResetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);
}

void LED0_TOGGLE(void)
{LED0_GPIO_PORT->ODR ^= LED0_GPIO_PIN;
}

void LED1_ON(void)
{GPIO_ResetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);
}

void LED1_OFF(void)
{GPIO_SetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);
}

3.5.2 key头、源

key.h

#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H

#include "stm32f10x.h"

// GPIO 输入宏
#define PAin(n)  (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, (1 << (n))))
#define PEin(n)  (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, (1 << (n))))

// 按键 GPIO 宏定义
#define KEY0_PIN      GPIO_Pin_4
#define KEY1_PIN      GPIO_Pin_3
#define KEY2_PIN      GPIO_Pin_2
#define KEY_UP_PIN    GPIO_Pin_0

#define KEY_PORT      GPIOE
#define KEY_UP_PORT   GPIOA

#define KEY_UP        PAin(0)
#define KEY0          PEin(4)
#define KEY1          PEin(3)
#define KEY2          PEin(2)

// 返回值宏定义
#define KEY_UP_PRESS  1
#define KEY0_PRESS    2
#define KEY1_PRESS    3
#define KEY2_PRESS    4

void KEY_Init(void);
u8 KEY_Scan(u8 mode);

#endif

key.c

#include "key.h"
#include "delay.h"

void KEY_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
// KEY_UP: 下拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY_UP_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;GPIO_Init(KEY_UP_PORT, &GPIO_InitStructure);
// KEY0, KEY1, KEY2: 上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY0_PIN | KEY1_PIN | KEY2_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

u8 KEY_Scan(u8 mode)
{static u8 key_up = 1;
if (mode) key_up = 1;
if (key_up && (KEY_UP || !KEY0 || !KEY1 || !KEY2)){Delay_ms(10);  // 消抖key_up = 0;if (KEY_UP)   return KEY_UP_PRESS;if (!KEY0)    return KEY0_PRESS;if (!KEY1)    return KEY1_PRESS;if (!KEY2)    return KEY2_PRESS;}else if (!KEY_UP && KEY0 && KEY1 && KEY2){key_up = 1;}
return 0;
}

3.5.3 beep头、源

bepp.h

#ifndef __BEEP_H
#define __BEEP_H

#include "stm32f10x.h"

#define BEEP_GPIO_PORT GPIOB
#define BEEP_GPIO_PIN  GPIO_Pin_8

void BEEP_Init(void);
void BEEP_ON(void);
void BEEP_OFF(void);

#endif

beep.c

#include "beep.h"

void BEEP_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//初始化各项参数：GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEEP_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(BEEP_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(BEEP_GPIO_PORT, BEEP_GPIO_PIN);  // 默认关闭蜂鸣器
}

void BEEP_OFF(void)
{GPIO_ResetBits(BEEP_GPIO_PORT, BEEP_GPIO_PIN);
}

void BEEP_ON(void)
{GPIO_SetBits(BEEP_GPIO_PORT, BEEP_GPIO_PIN);
}

3.5.4 exit头、源

exit.h

#ifndef __EXTI_H
#define __EXTI_H

#include "stm32f10x.h"  // 基础库头文件

void my_exti_int(void);  // 外部中断初始化函数声明

#endif

exit.c

#include "exti.h"
#include "key.h"

void my_exti_int(void)
{EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 开启 GPIO 时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // AFIO 复用功能RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 开启 GPIO 时钟：灯光RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
// 配置 KEY_UP 为下拉输入模式（PA0）//GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY_UP_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;  // 下拉输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 配置 KEY0~2 为上拉输入模式（PE2、PE3、PE4）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY0_PIN | KEY1_PIN | KEY2_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
// GPIO 映射到 EXTI 通道GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0); // KEY_UP -> EXTI0GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource4); // KEY0 -> EXTI4GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource3); // KEY1 -> EXTI3GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource2); // KEY2 -> EXTI2
// 配置 EXTI0（KEY_UP）EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;  // 上升沿触发EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;//使能特定的 EXTI 中断线EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
// 配置 EXTI2（KEY2）EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line2;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  // 下降沿触发EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
// 配置 EXTI3（KEY1）EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  // 下降沿触发EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
// 配置 EXTI4（KEY0）EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line4;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  // 下降沿触发EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
// 配置 NVIC 中断优先级// EXTI0_IRQnNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
// EXTI2_IRQnNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
// EXTI3_IRQnNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
// EXTI4_IRQnNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI4_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

分析：

在 STM32 系列微控制器中，GPIO 引脚映射到 EXTI（外部中断 / 事件控制器）通道时，不同的 EXTI 通道具有以下区别：

通道编号与引脚限制

STM32 的 EXTI 通道分为两种类型：

0-15 号通道：每个通道对应一组 GPIO 引脚中的

同一位号。
- 例如：EXTI0 只能连接到所有 GPIO 端口的Pin0（如 PA0、PB0、PC0 等）。
- 同一时刻，每个通道只能映射一个 GPIO 引脚。
16-22 号通道：用于特殊功能（如 RTC 闹钟、USB 唤醒等），与 GPIO 无关。

总结

通道编号决定中断函数：不同通道对应不同的中断服务函数。
同一通道只能映射一个引脚：例如EXTI0不能同时连接 PA0 和 PB0。
触发方式和优先级独立配置：每个通道可单独设置触发条件和中断优先级。

通过合理分配 EXTI 通道，你可以高效处理多个按键的中断事件。

 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;`EXTI_LineCmd = ENABLE`是启用外部中断功能必不可少的一步。只有完成了这一步，当 GPIO 引脚出现电平变化时，才会触发相应的中断服务函数。

3.5.5 实验现象

DS0指示灯会不断闪烁（200ms翻转一次）

按下KEY_UP键，DS1指示灯点亮

按下KEY2键，DS1指示灯熄灭

按下KEY1键，蜂鸣器发声

按下KEY0键，蜂鸣器停止发声

3.6 实验思考和拓展

3.6.1 如何增强中断服务函数中的按键消抖处理，使其更加可靠？

改进方案：

硬件消抖 + 软件消抖结合
- 硬件：添加 0.1μF 电容到按键两端，滤除高频抖动
- 软件：采用定时器消抖，避免阻塞中断服务函数
状态机消抖
- 将按键状态分为：按下抖动→稳定按下→释放抖动→稳定释放
- 使用定时器确认状态变化的稳定性
- 基本原理：
  
  状态机消抖将按键的整个生命周期划分为多个稳定状态和过渡状态，利用定时器对每个状态的持续时间进行验证，只有当信号在足够长的时间内保持稳定时，才认为状态发生了有效变化。
- 典型状态划分：
  1. IDLE（空闲状态）：按键未被按下，引脚保持高电平。
  2. PRESS_DEBOUNCE（按下抖动）：检测到引脚电平下降，进入消抖验证。
  3. PRESSED（稳定按下）：确认按键已稳定按下。
  4. RELEASE_DEBOUNCE（释放抖动）：检测到引脚电平上升，进入释放消抖。

3.6.2 如何通过修改中断优先级，实现不同按键间的优先级控制？

实现步骤：

配置 NVIC 优先级分组

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 2位抢占+2位子优先级

设置不同的抢占优先级

// 紧急按键（如复位）
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 最高抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

// 普通按键
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 次高抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

优先级规则：
- 抢占优先级高的中断可打断正在执行的低优先级中断
- 抢占优先级相同的中断按子优先级排序，但不能互相打断。子优先级数字越小，优先级就越高~~~

3.6.3 如何在中断服务函数中实现按键长按和短按的区分？

方案设计：

时间阈值法：
- 按下时记录时间戳，释放时计算持续时间
- 超过 2 秒为长按，否则为短按

示例代码：

static uint32_t pressTime = 0;
static bool longPressDetected = false;

void EXTI0_IRQHandler(void) {if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {if(KEY_PIN == 0) { // 按下pressTime = HAL_GetTick();longPressDetected = false;HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动长按检测定时器} else { // 释放HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);if(!longPressDetected) {ShortPressCallback(); // 短按处理}}EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);}
}

// 长按检测定时器回调
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {if(htim == &htim2 && KEY_PIN == 0) {if(HAL_GetTick() - pressTime > 2000) { // 2秒长按longPressDetected = true;LongPressCallback();HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);}}
}

3.6.4 如何实现组合按键功能（同时按下多个按键）？在中断方式下有何困难？

组合按键实现：

轮询方式：

void ScanKeyCombination(void) {static uint8_t keyState = 0;keyState = (KEY1 << 0) | (KEY2 << 1);switch(keyState) {case 0b00: Key1AndKey2Pressed(); break;case 0b01: Key1Pressed(); break;case 0b10: Key2Pressed(); break;}
}

中断方式的困难：
- 时序同步问题：多个按键的中断可能不同时触发
- 抖动叠加：多个按键同时按下时抖动可能互相影响
- 解决方案：
  - 检测到第一个按键中断时启动定时器，在定时窗口内检测其他按键
  - 使用状态机记录各按键状态变化

3.6.5 中断方式与轮询方式检测按键各有什么优缺点？在什么场景下选择中断方式更合适？

特性	中断方式	轮询方式
响应速度	即时响应，不受主程序影响	依赖扫描周期，可能有延迟
CPU 占用	空闲时不占用 CPU	持续占用 CPU（即使无按键操作）
资源消耗	需要配置 NVIC、EXTI 等资源	仅需 GPIO 读取
实现复杂度	较高（需处理中断优先级、抖动）	较低（简单循环检测）
多按键处理	适合少量紧急按键	适合大量按键同时检测
适用场景	实时性要求高（如安全关键系统）	按键数量多、响应时间要求宽松