项目仓库：https://github.com/Jason-xy/WuhuTakeOff.git
目标需求
1.模块单独运行
（1）串口能够输出调试信息。
（2）OLED可以在飞控PCB上显示实时参数。
（3）单片机可以读取GY-86传感器数据。
（4）单片机可以控制电机以不同转速转动。
（5）单片机可以捕获接收机信号。
2.模块联动
（1）OLED和串口可以同步输出各项参数。
（2）将GY-86实时数据作为调试信息输出。
（3）根据接收机信号来调整电机转速。
3.用户程序
（1）系统初始化。
（2）基础外设初始化。
（3）硬件模块初始化。
a.调试信息输出设备初始化。
b.电机初始化。
c.传感器初始化。
d.电机自动解锁。
e.接收机初始化。
f.参数显示界面绘制。
（4）后台程序：参数输出。
（5）前台程序：串口中断、TIM中断。
解决方案
硬件集成方案
硬件选型
机械部分（略）：机架、电机、电调、电池。
飞控部分：
主控芯片：STM32F411CEU6
板型：最小系统板。裁剪多余模块，仅留下供系统运行的最小系统，体积小，自定义潜力大。
优点：Cortex-M4、128K SRAM、512K Flash、100MHz主频、以及丰富的外设接口和较小的体积。
方便在进一步迭代中运行操作系统，以及添加红外测距、WiFi图传等外设。
上位机通讯：WIFI-ESP8266
优点：数据传输距离远、速度快，可以接入互联网。
在进一步迭代中方便飞控实现长距离、大数据量上位机传输任务，实现远程OTA固件更新、远程PID参数一键调整，同时还可扩展为WIFI图传、串口接收机、一旦接入互联网即可实现真正意义上的远距离控制等丰富功能。
板载参数显示：0.96存I2C OLED小屏幕
优点：方便在飞控上直接获取实时数据，即便不连接上位机也可以初步了解飞控运行情况。
姿态传感器：GY-86
优点：麻雀虽小，五脏俱全。
接收机：FS-IA10B
优点：提供10通道数据传输，可以实现更多自定义功能。
遥控器：Jumper T18
优点：兼容性以及自定义程度最高的Open TX开源操作系统。
硬件连接
借助CubeMX快速规划。
如图所示：
电路设计
原理图绘制（扩展板）
根据CubeMX生成引脚号进行连线即可。
可以考虑预留调试接口和其他外设的电源接口。
PCB绘制
注意：
1.布局安排。
2.封装选择。
3.器件方向。
4.特殊网络规则。
原理图绘制（一体化半成品）
软件集成方案
STM32基于HAL库的的软件开发。
优点：效率高、逻辑性强、资料多、可移植性强。
缺点：复杂的代码量、极慢的编译速度、略微低下的效率、屏蔽硬件差异，需要挖掘库函数源码才能了解底层运作。
HAL库软件层级
文件结构
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361
362
363
364
365
366
367
| C:.
│ F411CEU6_V1.ioc
│ tree.txt
│
├─Core
│ ├─Inc
│ │ gpio.h
│ │ i2c.h
│ │ main.h
│ │ stm32f4xx_hal_conf.h
│ │ stm32f4xx_it.h
│ │ tim.h
│ │ usart.h
│ │
│ └─Src
│ gpio.c
│ i2c.c
│ main.c
│ stm32f4xx_hal_msp.c
│ stm32f4xx_it.c
│ system_stm32f4xx.c
│ tim.c
│ usart.c
│
├─Drivers
│ |—CMSIS......
│ ├─HW
│ │ ├─inc
│ │ │ controller.h
│ │ │ esp8266.h
│ │ │ hmc5883l.h
│ │ │ motor.h
│ │ │ mpu6050.h
│ │ │ oled.h
│ │ │ oledfont.h
│ │ │
│ │ └─src
│ │ controller.c
│ │ esp8266.c
│ │ hmc5883l.c
│ │ motor.c
│ │ mpu6050.c
│ │ oled.c
│ │
│ └─STM32F4xx_HAL_Driver
│ ├─Inc
│ │ │ stm32f4xx_hal.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_adc.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_adc_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_can.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_cec.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_conf_template.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_cortex.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_cryp.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_cryp_ex.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_dac_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_dcmi.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_dcmi_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_def.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_dfsdm.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_dma_ex.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_flash_ramfunc.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_fmpi2c.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_fmpi2c_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_fmpsmbus.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_gpio.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_gpio_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_hash.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_hash_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_hcd.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_i2c.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_i2s_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_irda.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_iwdg.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_lptim.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_ltdc.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_ltdc_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_mmc.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_nand.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_nor.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_pccard.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_pcd.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_pcd_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_pwr.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_pwr_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_qspi.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_rcc.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_rcc_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_rng.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_sdram.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_smartcard.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_smbus.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_spi.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_tim.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_tim_ex.h
│ │ │ stm32f4xx_hal_uart.h
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│ │ │ stm32f4xx_hal_wwdg.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_adc.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_bus.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_cortex.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_crc.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_dac.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_dma.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_dma2d.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_exti.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_fmc.h
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│ │ │ stm32f4xx_ll_fsmc.h
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│ │ │ stm32f4xx_ll_pwr.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_rcc.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_rng.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_rtc.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_sdmmc.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_spi.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_system.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_tim.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_usart.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_usb.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_utils.h
│ │ │ stm32f4xx_ll_wwdg.h
│ │ │ stm32_assert_template.h
│ │ │
│ │ └─Legacy
│ │ stm32f4xx_hal_can_legacy.h
│ │ stm32_hal_legacy.h
│ │
│ └─Src
│ stm32f4xx_hal.c
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│ stm32f4xx_hal_timebase_rtc_alarm_template.c
│ stm32f4xx_hal_timebase_rtc_wakeup_template.c
│ stm32f4xx_hal_timebase_tim_template.c
│ stm32f4xx_hal_tim_ex.c
│ stm32f4xx_hal_uart.c
│ stm32f4xx_hal_usart.c
│ stm32f4xx_hal_wwdg.c
│ stm32f4xx_ll_adc.c
│ stm32f4xx_ll_crc.c
│ stm32f4xx_ll_dac.c
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│ stm32f4xx_ll_dma2d.c
│ stm32f4xx_ll_exti.c
│ stm32f4xx_ll_fmc.c
│ stm32f4xx_ll_fmpi2c.c
│ stm32f4xx_ll_fsmc.c
│ stm32f4xx_ll_gpio.c
│ stm32f4xx_ll_i2c.c
│ stm32f4xx_ll_lptim.c
│ stm32f4xx_ll_pwr.c
│ stm32f4xx_ll_rcc.c
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│ stm32f4xx_ll_rtc.c
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│ stm32f4xx_ll_spi.c
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│ stm32f4xx_ll_usart.c
│ stm32f4xx_ll_usb.c
│ stm32f4xx_ll_utils.c
│
└─MDK-ARM
│ EventRecorderStub.scvd
│ F411CEU6_V1.uvguix.Jason
│ F411CEU6_V1.uvoptx
│ F411CEU6_V1.uvprojx
│ startup_stm32f411xe.lst
│ startup_stm32f411xe.s
│
├─DebugConfig
│ F411CEU6_V1_STM32F411CEUx.dbgconf
│
├─F411CEU6_V1
│ controller.crf
│ controller.d
│ controller.o
│ esp8266.crf
│ esp8266.d
│ esp8266.o
│ ExtDll.iex
│ F411CEU6_V1.axf
│ F411CEU6_V1.build_log.htm
│ F411CEU6_V1.hex
│ F411CEU6_V1.htm
│ F411CEU6_V1.lnp
│ F411CEU6_V1.map
│ F411CEU6_V1.sct
│ F411CEU6_V1_F411CEU6_V1.dep
│ gpio.crf
│ gpio.d
│ gpio.o
│ hmc5883l.crf
│ hmc5883l.d
│ hmc5883l.o
│ i2c.crf
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│ i2c.o
│ main.crf
│ main.d
│ main.o
│ motor.crf
│ motor.d
│ motor.o
│ mpu6050.crf
│ mpu6050.d
│ mpu6050.o
│ oled.crf
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│ oled.o
│ startup_stm32f411xe.d
│ startup_stm32f411xe.o
│ stm32f4xx_hal.crf
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│ stm32f4xx_hal.o
│ stm32f4xx_hal_cortex.crf
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│ stm32f4xx_hal_dma_ex.crf
│ stm32f4xx_hal_dma_ex.d
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│ stm32f4xx_hal_exti.crf
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│ stm32f4xx_hal_flash.crf
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│ stm32f4xx_hal_flash_ramfunc.crf
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│ stm32f4xx_hal_gpio.crf
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│ stm32f4xx_hal_gpio.o
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│ stm32f4xx_hal_i2c.o
│ stm32f4xx_hal_i2c_ex.crf
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│ stm32f4xx_hal_i2c_ex.o
│ stm32f4xx_hal_msp.crf
│ stm32f4xx_hal_msp.d
│ stm32f4xx_hal_msp.o
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│ stm32f4xx_hal_rcc_ex.d
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│ stm32f4xx_hal_tim.crf
│ stm32f4xx_hal_tim.d
│ stm32f4xx_hal_tim.o
│ stm32f4xx_hal_tim_ex.crf
│ stm32f4xx_hal_tim_ex.d
│ stm32f4xx_hal_tim_ex.o
│ stm32f4xx_hal_uart.crf
│ stm32f4xx_hal_uart.d
│ stm32f4xx_hal_uart.o
│ stm32f4xx_it.crf
│ stm32f4xx_it.d
│ stm32f4xx_it.o
│ system_stm32f4xx.crf
│ system_stm32f4xx.d
│ system_stm32f4xx.o
│ tim.crf
│ tim.d
│ tim.o
│ usart.crf
│ usart.d
│ usart.o
│
└─RTE
└─_F411CEU6_V1
RTE_Components.hCOPY
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文件类型详解参考资料：Keil 项目/生成的各种文件类型（.AXF、.D、.crf、.exf）说明
HAL库用户文件
主函数：main.c/.h
MSP初始化： stm32f2xx_hal_msp_template.c ……
中断服务函数： stm32f2xx_it.c/.h
硬件模块驱动：mpu6050.c/.h ……
HAL库用户代码
HAL 库对底层进行了抽象，在此结构下，用户代码处理可分为三大部分：
1.句柄
在STM32的标准库中，假设我们要初始化一个外设（这里以USART为例）
我们首先要初始化他们的各个寄存器。在标准库中，这些操作都是利用固件库结构体变量+固件库Init函数实现的：
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| USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART3, &USART_InitStructure);
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可以看到，要初始化一个串口，需要对六个位置进行赋值，然后引用Init函数，并且USART_InitStructure并不是一个全局结构体变量，而是只在函数内部的局部变量，初始化完成之后，USART_InitStructure就失去了作用。
而在HAL库中，同样是USART初始化结构体变量，我们要定义为全局变量。
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| UART_HandleTypeDef UART1_Handler;
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相关结构体成员：
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| typedef struct
{
USART_TypeDef *Instance;
UART_InitTypeDef Init;
uint8_t *pTxBuffPtr;
uint16_t TxXferSize;
uint16_t TxXferCount;
uint8_t *pRxBuffPtr;
uint16_t RxXferSize;
uint16_t RxXferCount;
DMA_HandleTypeDef *hdmatx;
DMA_HandleTypeDef *hdmarx;
HAL_LockTypeDef Lock;
__IO HAL_UART_StateTypeDef State;
__IO uint32_t ErrorCode;
}UART_HandleTypeDef;COPY
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我们发现，与标准库不同的是，该成员不仅包含了之前标准库就有的六个成员（波特率，数据格式等），还包含过采样、（发送或接收的）数据缓存、数据指针、串口 DMA 相关的变量、各种标志位等等要在整个项目流程中都要设置的各个成员。
该 UART1_Handler 就被称为串口的句柄
它被贯穿整个USART收发的流程，比如开启中断：
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| uint8_t HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, (u8 *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);COPY
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比如后面要讲到的MSP与Callback回调函数：
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| void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);COPY
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在这些函数中，只需要调用初始化时定义的句柄UART1_Handler就好。
2.MSP函数
MCU Specific Package 单片机的具体方案
MSP是指和MCU相关的初始化：
1.一部分是与MCU无关的，协议层。
2.一部分是与MCU相关的，物理层。
举个例子：
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| 我们要初始化一个串口，首先要设置和 MCU 无关的东西，例如波特率，奇偶校验，停止位等，这些参数设置和 MCU 没有任何关系，可以使用 STM32F1，也可以是 STM32F2/F3/F4/F7上的串口。
而一个串口设备它需要一个 MCU 来承载，例如用 STM32F4 来做承载，PA9 做为发送，PA10 做为接收，MSP 就是要初始化 STM32F4 的 PA9,PA10，配置这两个引脚。所以 HAL驱动方式的初始化流程就是：HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit() ，先初始化与 MCU无关的串口协议，再初始化与 MCU 相关的串口引脚。
在 STM32 的 HAL 驱动中HAL_PPP_MspInit()作为回调，被HAL_PPP_Init()函数所调用。当我们需要移植程序到 STM32F1平台的时候，我们只需要修改 HAL_PPP_MspInit 函数内容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口参数内容。COPY
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优点：可移植性强。
缺点：增加代码量、增加代码嵌套层级。
同样，MSP函数又可以配合句柄，达到非常强的移植性：
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| void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);COPY
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入口参数仅仅需要一个串口句柄，这样有能看出句柄的方便。
3.Callback函数
类似于MSP函数，Callback函数主要帮助用户应用层的代码编写。
还是以USART为例，在标准库中，串口触发中断了以后，我们要先在中断中判断是否是接收中断，然后读出数据，顺便清除中断标志位，然后再是对数据的处理，这样如果我们在一个中断函数中写这么多代码，就会显得很混乱：
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| void USART3_IRQHandler(void)
{
uint8_t Res;
if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)
{
Res =USART_ReceiveData(USART3);
}
}
} COPY
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而在HAL库中，进入串口中断后，直接由HAL库中断函数进行托管：
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| void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler);
}COPY
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HAL_UART_IRQHandler这个函数完成了判断是哪个中断（接收？发送？或者其他？），然后读出数据，保存至缓存区，顺便清除中断标志位等等操作。
比如我提前设置了，串口每接收五个字节，我就要对这五个字节进行处理。
在一开始我定义了一个串口接收缓存区：
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uint8_t aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];COPY
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在初始化中，我在句柄里设置好了缓存区的地址，缓存大小（五个字节）
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huart->pRxBuffPtr = pData;
huart->RxXferSize = Size;
huart->RxXferCount = Size;
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则在接收数据中，每接收完五个字节，HAL_UART_IRQHandler才会执行一次Callback函数：
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| void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);COPY
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在这个Callback回调函数中，我们只需要对这接收到的五个字节（保存在aRxBuffer[]中）进行处理就好了，完全不用再去手动清除标志位等操作。
所以说Callback函数是一个应用层代码的函数，我们在一开始只设置句柄里面的各个参数，然后就等着HAL库把自己安排好的代码执行完毕就行了。
HAL库编程方式
在 HAL 库中对外设模型进行了统一，支持三种编程方式：
以IIC为例，三种编程模式对应的函数如下：
1、轮询模式/阻塞模式
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| uint8_t HAL_I2C_Master_Transmit();
uint8_t HAL_I2C_Master_Receive();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Transmit();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Receive();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Write();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Read();
uint8_t HAL_I2C_IsDeviceReady();COPY
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2、中断模式
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| uint8_t HAL_I2C_Master_Transmit_IT();
uint8_t HAL_I2C_Master_Receive_IT();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Transmit_IT();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Receive_IT();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Write_IT();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Read_IT();COPY
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3、DMA模式
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| uint8_t HAL_I2C_Master_Transmit_DMA();
uint8_t HAL_I2C_Master_Receive_DMA();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Transmit_DMA();
uint8_t HAL_I2C_Slave_Receive_DMA();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Write_DMA();
uint8_t HAL_I2C_Mem_Read_DMA();COPY
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