使用 STM32CubeMX 初始化建立專案

📌 一、前言

由於 STM32 支援的外設（Peripherals）種類繁多，且不同型號間的硬體配置也存在差異，有一定的開發門檻。雖然意法半導體 (STMicroelectronics) 提供了 HAL 庫，讓開發者能以高階（High Level） API 開發應用功能，但對初學者而言，初期手動建立專案與配置暫存器仍具挑戰性。

透過 STM32CubeMX，我們可以直接在圖形化介面（GUI）中完成引腳與時鐘配置，並自動生成初始化程式碼。這不僅是目前官方推薦的開發方式，也是新手入門最直覺、方便的首選。

🔧 二、實驗環境與工具

開發板: STM32 NUCLEO-F767ZI Board
核心 MCU: STM32F767ZI (STM32F7 系列)
開發工具：STM32CubeMX
輔助工具: 24Mhz 8CH 邏輯分析儀（用於驗證 GPIO 和輸出的通訊訊號）

🚀 三、 CubeMX 專案啟動配置步驟

1. 選擇開發平台

在啟動畫面中，我們選擇 「Access to Board Selector」（或 Start My project from ST Board）。對於使用官方開發板的使用者來說，這能自動幫我們定義好板載的 LED、按鈕與調試接口（ST-Link）。

2. 搜尋與確認型號

在跳出的搜尋介面中，選擇 NUCLEO-F767ZI。選定後點擊右上角的 Start Project。

3. 初始化外設設定

系統會詢問是否要「Initialize all peripherals with their default Mode?」，點選 Yes。進入主畫面後，我們就可以開始進行 Pinout & Configuration（引腳配置）與 Clock Configuration（時鐘樹設定）了！

🛠️ 四、外設選擇與設定 (Pinout & Configuration)

在下面範例中，我們將配置 GPIO、ADC1、TIM2 & TIM3、USART3 等外設。

1. LED 燈與 GPIO 配置

查看 UM1974 User Manual 的第 7.5 節，確認板載 LED (LD1, LD2, LD3) 所連接的 Pin 腳。

根據文件說明，我們在 STM32CubeMX 的 Pinout View 中進行以下設定：

PB0：設定為 GPIO_Output (LD1_GREEN)
PB7：設定為 GPIO_Output (LD2_BLUE)
PB14：設定為 GPIO_Output (LD3_RED)

💡 使用 User Label 的好處

在引腳上點擊右鍵選擇 “Enter User Label”，可以為該引腳命名（如 LD1_GREEN）。這樣在自動生成的程式碼中，HAL 庫會自動產生的宏（Macro）定義 Port & Pin，這能大幅提高程式碼的可讀性。

2. Debug 輔助腳位設定 (PA3)

為了後續方便使用 邏輯分析儀 進行調試，我們順手將 PA3 也設定為 GPIO_Output 模式。

此腳位的預期用途：

訊號觸發 (Trigger)：當程式進入特定中斷或 Function 時，將 PA3 拉高，作為邏輯分析儀的觸發訊號。
頻率量測：透過在迴圈中翻轉（Toggle）此腳位，測量程式執行的實際循環頻率或者是使用 TIM 延遲的時間符不符合預期。
軟體模擬 (Bit-banging)：透過軟體快速切換IO輸出電位，模擬簡單的通訊協定或時鐘訊號。

GPIO Speed 設定 應上述對於高頻翻轉的需求，我們將 PA3 的 Maximum output speed 調升至 Medium。

3. ADC 單通道設定 (PA0)

我們選擇 ADC1 的 IN0 通道，對應引腳為 PA0。在 CubeMX 的選單中，若看到欄位標註警告符號或呈現紅色底色，代表該功能與目前已設定的引腳（如 GPIO 或其他外設）存在 腳位衝突（Pin Conflict），配置時應避開這些選項。

在 Parameter Settings 中，可以看到 Resolution (解析度) 設定為 12 Bits。這是後續撰寫程式時將 ADC 原始數值（0~4095）換算回實際電壓的重要參數。

4. TIM 定時器配置與延時邏輯

在本專案中，我計畫將 TIM2 作為 ms 級延時計數器，TIM3 作為 us 級延時計數器。在配置時，請務必將 Clock Source 設定為 Internal Clock；其餘通道（Channels）由於本次不需輸出訊號，保持 Disable 即可。

為什麼選擇 TIM2 做長延時？

查閱 DS11532 Datasheet 的 Figure 2 (Block Diagram) 可以發現：

TIM2：屬於 32-bit 定時器，擁有更大的 Counter Period (ARR)，適合處理長時間跨度的計數。
TIM3：屬於 16-bit 定時器。因此，選擇位元數較高的 TIM2 作為 ms 延時計數器最為合適。

頻率與預分頻器 (PSC) 計算

根據 Datasheet Figure 2 (Block Diagram) 和後續的 Clock Configuration 設定，得知雖然 APB1 匯流排頻率最高為 54MHz，但由於時鐘樹架構，定時器的時鐘輸入（Timer Clock）會經過倍頻，實際運行為 108 MHz。

為了達到精確計數，我們透過預分頻器（Prescaler, PSC）來調整計數頻率（減 1 是因為從 0 開始）：

TIM2 (10us 計數一次)： 公式：\(PSC = \frac{TimerClock}{TargetFrequency} - 1 = \frac{108MHz}{100kHz} - 1 = 1079\)
TIM3 (1us 計數一次)： 公式：\(PSC = \frac{108MHz}{1MHz} - 1 = 107\)

5. USART3 設定 (非同步通訊與 DMA)

接下來配置序列通訊。我們選用 USART3 並設定為 Asynchronous (非同步) 模式。考量到未來會實作 DMA (Direct Memory Access)，我提前在 DMA Settings 分頁中，將 USART3_TX 與 USART3_RX 加入傳輸通道。

引腳部分，自動配置 PB10 作為 TX，PB11 作為 RX。

6. SYS 設定與 RCC 設定

在完成特定功能外設設定後，最後我們回頭處理 SYS 與 RCC 的核心配置。

SYS (系統調試)

在 SYS 頁面中，將 Debug 選擇為 Serial Wire。這非常重要，它確保了我們能透過板載的 ST-LINK 進行 SWD 介面的燒錄與除錯。

💡 小觀察：在下方的列表可以看到 System Wake-Up 1 標示為紅底。這是因為該功能與我們先前設定的 ADC1_IN0 (PA0) 發生了腳位衝突，CubeMX 會主動阻擋重複分配。

RCC (時鐘源設定)

針對時鐘源，我們選擇使用 HSE (High Speed External)。參考 UM1974 User Manual 第 7.8.1 節，NUCLEO 板預設是由 ST-LINK 提供一個固定的 8MHz MCO 訊號 給 MCU。

因此，在 RCC 的 HSE 設定中，必須選擇 BYPASS Clock Source。

Crystal/Ceramic Resonator：適用於外部有接石英晶體/陶瓷諧振器（帶電容）的情況。
BYPASS Clock Source：適用於外部直接輸入主動式時鐘訊號（如 ST-LINK 的 MCO）。

在 Parameter Settings 中維持預設即可，但可留意到系統電壓 VDD 設定為 3.3V。

MCO (Main Clock Output) 與時鐘驗證

為了確保 MCU 接收到的 HSE (外部時鐘源) 確實如手冊所述為 8MHz，我們可以使用 STM32 的 MCO (主時鐘輸出) 功能。透過將內部時鐘訊號除頻後從特定引腳輸出，並搭配 邏輯分析儀 進行觀察，即可驗證時鐘頻率的準確性。

在 CubeMX 的 RCC 配置頁面中，勾選 Master Clock Output 1 (或 2) 即可開啟此功能。開啟後，你可以選擇想要輸出的時鐘源（如 HSE, HSI, PLLCLK 等）以及預分頻係數（Prescaler）。

實測結果分享： 根據實際觀測，HSE 輸出確實為 8MHz，而內部震盪源 HSI 則為 16MHz。

🕒 五、 Clock Configuration (時鐘樹配置)

完成外設設定後，我們進入時鐘樹頁面進行最後調整。由於 STM32F767ZI 的效能強大，我們目標是將系統時鐘（HCLK）推到最高頻率：

HSE 輸入：確認 Input frequency 設定為 8MHz。
時鐘源選擇：將 PLL Source Mux 切換至 HSE。
自動配置小技巧：直接在 HCLK 欄位輸入目標頻率 216 (MHz) 並按下 Enter，CubeMX 會自動幫你計算出對應的除頻與倍頻參數，非常方便。

📂 六、 Project Manager (專案管理設定)

對於 Project Manager，這裡的設定由個人需求，下面的範例僅供演示。實際到這裡設定完成，就可以按下右上角的 GENERATE CODE 按鈕了! 並記得可以儲存成.ioc，之後可以再次開啟並修改。

1. Project 區段

Project Name: 為專案取個好辨識的名字。
Toolchain / IDE: 若使用 Keil 則選擇 MDK-ARM。

2. Code Generator 區段

Copy only the necessary library files: 勾選此項可以讓專案資料夾更精簡，僅包含用到的 HAL 庫檔案。
Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral: 強烈建議勾選。這會將 GPIO、ADC 等初始化程式碼分開存放在獨立檔案中，避免 main.c 變得過於臃腫。

3. Advanced Settings 區段

可以單獨設定各Driver使用 HAL 或者 LL，HAL 相對於來說 HAL 更 High Level 設定調整較少，不過編譯出的 code size 也會較大。

🚀 產生程式碼

設定完成後，點擊右上角的 「GENERATE CODE」 按鈕，系統就會自動生成專案框架。

💡 溫馨提示：記得將設定存成 .ioc 檔。日後若需要新增外設（例如增加更多的 ADC 通道），只要再次開啟該檔案修改並重新產生 Code 即可，這就是使用 CubeMX 開發的最大優勢。

🧑‍💻 七、範例程式以及量測驗證

1. LED 燈閃爍與定時器延時實作

以下提供核心邏輯代碼。請注意，STM32CubeMX 僅負責生成定時器的初始化配置，**必須手動呼叫 HAL_TIM_Base_Start()** 才能正式啟動計數器。

// TIM_MS   TIM2    32bit timer for MS delay	
#define TM_MS_GET()	    	__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2)
// TIM_US   TIM3    16bit timer for US delay
#define TM_US_GET()	    	__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3)

void TM_Delay_MS(__IO U16 ms)
{	
    U32 dly = 100 * ms;
    U32 start = TM_MS_GET();
    while((U32)(TM_MS_GET() - start) < dly) {
        __asm("NOP"); 
    }
}

void TM_Delay_US(__IO U16 us)
{
    U16 start = TM_US_GET();
    while ((U16)(TM_US_GET() - start) < us) {
        __asm("NOP"); 
    }
}

void TM_Init(void) 
{
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
}

void led_green_toggle(void) {
    HAL_GPIO_TogglePin(LD1_GREEN_GPIO_Port, LD1_GREEN_Pin);  // PB0
}

void led_blue_toggle(void) {
    HAL_GPIO_TogglePin(LD2_BLUE_GPIO_Port, LD2_BLUE_Pin);  // PB7
}

void led_red_toggle(void) {
    HAL_GPIO_TogglePin(LD3_RED_GPIO_Port, LD3_RED_Pin);  // PB14
}

int main(void)
{
    // Start TIM2,3
    TM_Init(); 
    while (1)
    {
        U16 delay_ms = 50;
        led_green_toggle();
        TM_Delay_MS(delay_ms);
        led_blue_toggle();
        TM_Delay_MS(delay_ms);
        led_red_toggle();
        TM_Delay_MS(delay_ms);
    }
}

🔍 波形驗證

透過邏輯分析儀觀察 led_toggle 的波形，可以確認三個 LED 翻轉的時間間隔是否精確為 50ms。這也是驗證前面 Clock Configuration 設定是否正確最直觀的方法。

2. ADC 量測電壓與 UART 資料傳輸

在本實作中，我們將讀取 PA0 的類比電壓，並透過 UART3 將結果輸出。同時，利用 PA3 腳位的電位變化，方便透過邏輯分析儀觀察 UART 的傳輸行為。

⚠️ 注意：本範例採用最基礎的 ADC Polling 與 UART Blocking 模式。在實際專案中，這種方式會導致 CPU 進入等待狀態而造成效能低落。建議一般可使用 Interrupt 模式，甚至大量資料傳輸時使用 DMA 模式，解放 CPU。

U8 Polling_ADC_Measurement(float *voltage, U8 timeout) {
    if (voltage == NULL) return HAL_ERROR; // avoid null reference
    U8 ret;
    ret = HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (ret != HAL_OK) {return ret;}

    // timeout (ms)
    ret = HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, timeout);
    if (ret == HAL_OK) {
        U32 adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // Vref = 3.3V, Resolution = 12B
        *voltage = ((float)adc_val * 3.3f) / 4095.0f;
    }
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    return ret;
}

U8 Blocking_UART_Transmit(U8 timeout, const char * format, ... ) {
    U8 ret;
    char msg[64];
    va_list marker;

	va_start(marker, format);
    U16 len = vsnprintf(msg, sizeof(msg), format, marker);
	va_end(marker);
    
    if (len > 0) {
        // (sizeof(msg) - 1) avoid overflow, the last always '\0'
        U16 send_len = (len < sizeof(msg)) ? len : (U16)(sizeof(msg) - 1);
        ret = HAL_UART_Transmit(&huart3, (PU8)msg, send_len, timeout);
    } else {
        ret = HAL_ERROR;
    }
    return ret;
}

void pa3_hi(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);
}

void pa3_lo(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
}

int main(void)
{
    TM_Init(); 
    while (1)
    {
        float curr_voltage = 0;
        if (Polling_ADC_Measurement(&curr_voltage, 10) == HAL_OK) {
        pa3_hi();
        Blocking_UART_Transmit(100, "Voltage: %.2fV\n", curr_voltage);
        }
        pa3_lo();
        TM_Delay_MS(10);
    }
}

📐 ADC 數值換算邏輯

由於 ADC 回傳的是數位量化值，我們需要透過參考電壓比例換算回實際電壓：

\[\frac{V_{input}}{V_{reference}} = \frac{ADC_{val}}{ADC_{max}}\]

已知前面 ADC 設定時解析度為 12 bits，且參考電壓是工作電壓 3.3V，因此換算公式如下：

\[V_{input} = \frac{ADC_{val} * V_{reference}}{ADC_{max}} = \frac{ADC_{val} * 3.3}{2^{12} -1} = \frac{ADC_{val} * 3.3}{4095}\]

🔍 波形驗證

1. 整體週期觀察 從 Overview 波形可以看到，大約每 10ms PA3 會拉高一次，隨即 TX 引腳開始輸出資料。這驗證了我們主迴圈的延時邏輯：先執行 ADC 採樣，隨後立即進行 UART 傳送。

2. 資料內容驗證 解碼 TX 訊號後的 String 結果顯示為 "Voltage: 3.29V\n"。這是因為我們將 3.3V 短路接到 PA0 供 ADC 量測。

3. UART 時序分析 (Baud Rate 驗證) 放大觀察單個 Bit 的持續時間約為 8.6~8.7 us。這與我們在 CubeMX 中設定的 BaudRate 115200 極為接近，誤差在容許範圍內。

此外，從波形可觀察到標準的 UART 協定：

Start Bit：TX 由高電位變為低電位（LO）代表資料開始。
Data Bits：以 Byte 為基本單位，每 8 bits 為一組進行傳送。

📝 八、結語

由於這是第一次嘗試使用 CubeMX，完全從零開始建立與實作 STM32 專案，其中許多細節和踩過的坑，我會想要記錄下來供未來自己參考，因此通篇下來顯得瑣碎，還請見諒。

📌 一、 前言

🔧 二、 實驗環境與工具

🚀 三、 CubeMX 專案啟動配置步驟

1. 選擇開發平台

2. 搜尋與確認型號

3. 初始化外設設定

🛠️ 四、 外設選擇與設定 (Pinout & Configuration)

1. LED 燈與 GPIO 配置

💡 使用 User Label 的好處

2. Debug 輔助腳位設定 (PA3)

3. ADC 單通道設定 (PA0)

4. TIM 定時器配置與延時邏輯

為什麼選擇 TIM2 做長延時？

頻率與預分頻器 (PSC) 計算

5. USART3 設定 (非同步通訊與 DMA)

6. SYS 設定 與 RCC 設定

SYS (系統調試)

RCC (時鐘源設定)

MCO (Main Clock Output) 與時鐘驗證

🕒 五、 Clock Configuration (時鐘樹配置)

📂 六、 Project Manager (專案管理設定)

1. Project 區段

2. Code Generator 區段

3. Advanced Settings 區段

🚀 產生程式碼

🧑‍💻 七、 範例程式以及量測驗證

1. LED 燈閃爍與定時器延時實作

🔍 波形驗證

2. ADC 量測電壓與 UART 資料傳輸

📐 ADC 數值換算邏輯

🔍 波形驗證

📝 八、 結語

📚 Reference

📌 一、前言

🔧 二、實驗環境與工具

🛠️ 四、外設選擇與設定 (Pinout & Configuration)

6. SYS 設定與 RCC 設定

🧑‍💻 七、範例程式以及量測驗證

📝 八、結語