STM32 HAL库 FreeRTOS 软件定时器的使用

一、引言

在嵌入式系统开发中，STM32 微控制器以其高性能、低功耗和丰富的外设资源受到广泛应用。而 FreeRTOS 作为一个开源的实时操作系统，为开发者提供了任务管理、内存管理、中断管理等强大的功能，使得复杂的嵌入式系统开发变得更加高效和可靠。软件定时器是 FreeRTOS 提供的一个重要特性，它允许开发者在不使用硬件定时器的情况下实现定时功能，这在资源有限的系统中尤为有用。本文将详细介绍基于 STM32 HAL 库和 FreeRTOS 的软件定时器的使用方法。

二、STM32 HAL 库与 FreeRTOS 简介

2.1 STM32 HAL 库

STM32 HAL（Hardware Abstraction Layer）库是 ST 公司为 STM32 微控制器提供的一套硬件抽象层库。它的主要目的是简化开发者对 STM32 硬件的操作，通过提供统一的 API 接口，使得开发者可以在不同型号的 STM32 微控制器上快速移植代码。HAL 库封装了底层的寄存器操作，提供了高级的函数调用，如 GPIO 操作、定时器配置、串口通信等，大大提高了开发效率。

2.2 FreeRTOS

FreeRTOS 是一个开源的、轻量级的实时操作系统内核，适用于各种嵌入式系统。它提供了任务管理、队列、信号量、互斥量等内核服务，支持多任务并发执行。FreeRTOS 的特点包括可裁剪性强、占用资源少、实时性高、易于移植等。在嵌入式系统中，使用 FreeRTOS 可以更好地管理系统资源，提高系统的稳定性和可靠性。

三、FreeRTOS 软件定时器概述

3.1 软件定时器的概念

软件定时器是 FreeRTOS 提供的一种机制，它允许开发者在不使用硬件定时器的情况下实现定时功能。软件定时器基于 FreeRTOS 的系统时钟节拍（tick）运行，通过设置定时器的周期和回调函数，当定时器到期时，会自动调用回调函数执行相应的操作。软件定时器可以是一次性的（只执行一次回调函数），也可以是周期性的（每隔一定时间执行一次回调函数）。

3.2 软件定时器的优点

• 节省硬件资源：在一些资源有限的系统中，硬件定时器的数量可能不足，使用软件定时器可以在不占用硬件定时器的情况下实现定时功能。
• 灵活性高：软件定时器的周期和回调函数可以在运行时动态调整，开发者可以根据实际需求灵活配置定时器。
• 易于实现：软件定时器的实现相对简单，开发者只需要创建定时器、设置周期和回调函数，然后启动定时器即可。

3.3 软件定时器的局限性

• 精度相对较低：由于软件定时器基于 FreeRTOS 的系统时钟节拍运行，其定时精度受到系统时钟节拍的影响。如果系统时钟节拍设置得较大，定时器的精度会相应降低。
• 受任务调度影响：软件定时器的回调函数是在任务上下文中执行的，因此其执行时间会受到任务调度的影响。如果系统中存在高优先级任务长时间占用 CPU，定时器的回调函数可能会延迟执行。

四、开发环境搭建

4.1 硬件平台

本文以 STM32F4 Discovery 开发板为例进行介绍，该开发板采用了 STM32F407VG 微控制器，具有丰富的外设资源，适合进行嵌入式系统开发。

4.2 软件开发工具

• Keil MDK：Keil MDK 是一款专业的 ARM 微控制器开发工具，支持 STM32 系列微控制器的开发。它提供了集成开发环境（IDE）、编译器、调试器等功能，方便开发者进行代码编写、编译和调试。
• STM32CubeMX：STM32CubeMX 是 ST 公司提供的一款图形化配置工具，它可以帮助开发者快速配置 STM32 微控制器的外设和时钟，生成初始化代码。使用 STM32CubeMX 可以大大减少手动配置代码的工作量，提高开发效率。

4.3 安装 FreeRTOS

在 STM32CubeMX 中配置工程时，可以选择添加 FreeRTOS 操作系统。具体步骤如下：

1. 打开 STM32CubeMX，选择相应的芯片型号。
2. 在 “Pinout & Configuration” 选项卡中，配置系统时钟和外设。
3. 点击 “Middleware” 选项卡，选择 “FreeRTOS”，并根据需要配置 FreeRTOS 的参数，如任务数量、堆大小等。
4. 点击 “Project Manager” 选项卡，配置工程的输出路径和工具链，然后生成代码。

五、FreeRTOS 软件定时器的使用步骤

5.1 创建软件定时器

在 FreeRTOS 中，使用 xTimerCreate 函数来创建软件定时器。该函数的原型如下：

TimerHandle_t xTimerCreate(
    const char * const pcTimerName,
    TickType_t xTimerPeriod,
    UBaseType_t uxAutoReload,
    void * pvTimerID,
    TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction
);

• pcTimerName：定时器的名称，用于调试和日志记录，可为 NULL。
• xTimerPeriod：定时器的周期，以系统时钟节拍为单位。
• uxAutoReload：定时器的模式，pdTRUE 表示周期性定时器，pdFALSE 表示一次性定时器。
• pvTimerID：定时器的标识符，可用于在回调函数中区分不同的定时器。
• pxCallbackFunction：定时器到期时调用的回调函数。

示例代码如下：

#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"

// 定时器回调函数
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
    // 定时器到期时执行的操作
}

// 创建定时器
TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate(
    "MyTimer",
    pdMS_TO_TICKS(1000),  // 定时器周期为 1 秒
    pdTRUE,               // 周期性定时器
    (void *)0,            // 定时器标识符
    vTimerCallback        // 定时器回调函数
);

5.2 启动软件定时器

创建定时器后，需要使用 xTimerStart 函数来启动定时器。该函数的原型如下：

BaseType_t xTimerStart(
    TimerHandle_t xTimer,
    TickType_t xTicksToWait
);

• xTimer：要启动的定时器句柄。
• xTicksToWait：如果定时器服务任务处于阻塞状态，等待定时器服务任务解锁的最大时间，以系统时钟节拍为单位。如果设置为 0，表示不等待。

示例代码如下：

if (xTimer != NULL) {
    // 启动定时器
    if (xTimerStart(xTimer, 0) != pdPASS) {
        // 启动定时器失败
    }
}

5.3 停止软件定时器

如果需要停止定时器的运行，可以使用 xTimerStop 函数。该函数的原型如下：

BaseType_t xTimerStop(
    TimerHandle_t xTimer,
    TickType_t xTicksToWait
);

参数含义与 xTimerStart 函数相同。

示例代码如下：

if (xTimer != NULL) {
    // 停止定时器
    if (xTimerStop(xTimer, 0) != pdPASS) {
        // 停止定时器失败
    }
}

5.4 删除软件定时器

当不再需要某个定时器时，可以使用 xTimerDelete 函数来删除定时器。该函数的原型如下：

BaseType_t xTimerDelete(
    TimerHandle_t xTimer,
    TickType_t xTicksToWait
);

参数含义与 xTimerStart 函数相同。

示例代码如下：

if (xTimer != NULL) {
    // 删除定时器
    if (xTimerDelete(xTimer, 0) != pdPASS) {
        // 删除定时器失败
    }
}

5.5 改变软件定时器的周期

在定时器运行过程中，可以使用 xTimerChangePeriod 函数来改变定时器的周期。该函数的原型如下：

BaseType_t xTimerChangePeriod(
    TimerHandle_t xTimer,
    TickType_t xNewPeriod,
    TickType_t xTicksToWait
);

• xNewPeriod：新的定时器周期，以系统时钟节拍为单位。

示例代码如下：

if (xTimer != NULL) {
    // 改变定时器周期为 2 秒
    if (xTimerChangePeriod(xTimer, pdMS_TO_TICKS(2000), 0) != pdPASS) {
        // 改变定时器周期失败
    }
}

六、基于 STM32 HAL 库和 FreeRTOS 软件定时器的示例代码

6.1 代码功能概述

本示例代码将创建一个周期性的软件定时器，每隔 1 秒翻转一次 LED 灯的状态。

6.2 代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"

// 定义 LED 引脚
#define LED_PIN GPIO_PIN_12
#define LED_PORT GPIOD

// 定时器回调函数
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_PORT, LED_PIN);
}

// 系统时钟配置函数
void SystemClock_Config(void);
// GPIO 初始化函数
static void MX_GPIO_Init(void);
// FreeRTOS 初始化函数
static void MX_FREERTOS_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_FREERTOS_Init();

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 如果调度器启动失败，程序将执行到这里
    while (1) {
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /** 初始化 CPU, AHB 和 APB 总线时钟
    */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
    /** 初始化 CPU, AHB 和 APB 总线时钟
    */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    /* GPIO Ports Clock Enable */
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

    /*Configure GPIO pin Output Level */
    HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);

    /*Configure GPIO pin : LED_PIN */
    GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_FREERTOS_Init(void) {
    // 创建一个周期性定时器，周期为 1000 个 tick
    TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate(
        "MyTimer",
        pdMS_TO_TICKS(1000),  // 定时器周期为 1 秒
        pdTRUE,               // 周期性定时器
        (void *)0,            // 定时器标识符
        vTimerCallback        // 定时器回调函数
    );

    if (xTimer != NULL) {
        // 启动定时器
        if (xTimerStart(xTimer, 0) != pdPASS) {
            // 启动定时器失败
        }
    }
}

void Error_Handler(void) {
    // 错误处理函数
    while(1) {
    }
}

6.3 代码解释

1. 定时器回调函数：vTimerCallback 函数在定时器到期时被调用，在该函数中，使用 HAL_GPIO_TogglePin 函数翻转 LED 灯的状态。
2. 系统时钟配置：SystemClock_Config 函数用于配置系统时钟，这里使用内部高速时钟（HSI）作为系统时钟源。
3. GPIO 初始化：MX_GPIO_Init 函数用于初始化 LED 引脚，将其配置为推挽输出模式。
4. FreeRTOS 初始化：MX_FREERTOS_Init 函数用于创建和启动软件定时器。

七、注意事项

7.1 定时器回调函数的执行时间

定时器回调函数是在任务上下文中执行的，因此其执行时间应尽量短，避免长时间占用 CPU，影响其他任务的执行。如果回调函数需要执行较长时间的操作，建议将操作封装成一个任务，在回调函数中发送消息或信号量来触发该任务的执行。

7.2 定时器服务任务的优先级

FreeRTOS 有一个专门的定时器服务任务，用于处理定时器的到期事件。定时器服务任务的优先级应根据实际需求进行设置，一般建议设置为较高的优先级，以确保定时器事件能够及时处理。

7.3 系统时钟节拍的设置

系统时钟节拍的设置会影响定时器的精度。如果需要较高的定时精度，应将系统时钟节拍设置得较小，但同时会增加 CPU 的开销。因此，需要根据实际需求进行权衡。

八、总结

本文详细介绍了基于 STM32 HAL 库和 FreeRTOS 的软件定时器的使用方法。通过使用 FreeRTOS 软件定时器，开发者可以在不使用硬件定时器的情况下实现定时功能，节省硬件资源，提高系统的灵活性。同时，本文还给出了一个基于 STM32F4 Discovery 开发板的示例代码，帮助开发者更好地理解和应用软件定时器。在实际开发中，开发者应根据具体需求合理使用软件定时器，并注意定时器回调函数的执行时间、定时器服务任务的优先级和系统时钟节拍的设置等问题。