ESP32外部中断原理详解及代码示例

一、为什么要使用中断

ESP32是一个集成了Wi-Fi、蓝牙并支持低功耗的微控制器。它有许多GPIO(通用输入/输出)引脚,可以用于连接各种外部设备,如传感器、按钮、开关等。
在使用这些外部设备时,我们经常需要知道它们何时发生了变化,比如按钮是否按下,传感器是否检测到了某个信号。为了检测这些变化,ESP32提供了中断功能,当GPIO引脚状态发生改变时,ESP32可以立即暂停当前任务并开始处理中断程序。这样可以大大提高系统的实时性和响应速度。
外部中断的处理需要一定的硬件和软件支持,因此只有特定的GPIO引脚才能用于外部中断。ESP32的所有GPIO引脚(除了34-39之外)都可以被配置为中断引脚,其中一些引脚还具有额外的功能,如触摸感应和内部上拉电阻。

ESP32外部中断原理详解及代码示例_第1张图片

使用外部中断有以下几个好处:

1. 实时响应:外部中断可以立即暂停当前任务并执行中断程序,因此可以实现对外部事件的实时响应。比如,当按下按钮时,可以立即触发中断处理程序,而不需要在主循环中轮询按钮状态。

2. 节省CPU资源:外部中断的处理由硬件负责,不需要CPU持续监测输入状态。这样可以节省CPU的资源,使得CPU可以处理其他任务,提供更好的系统性能。

3. 减少功耗:通过使用外部中断来检测外部事件,可以让系统进入低功耗状态,只有当中断事件发生时才唤醒系统处理。这在对功耗要求较高的应用中尤为重要,可以延长电池寿命或降低能耗。

4. 精准触发:外部中断可以通过配置边沿触发方式(上升沿、下降沿或双边沿)以及滤波选项,实现对特定事件的精确触发。这对于需要高精度的事件检测和计时非常有用,如测量脉冲宽度或计数器应用。

5. 提高系统可靠性:使用外部中断可以减少出错的可能性。由于中断是硬件级别的,不容易受到软件逻辑控制的干扰,因此可以提高系统的可靠性和稳定性。

总之,使用外部中断可以实现实时响应、节省CPU资源、降低功耗,并且具有精准触发和提高系统可靠性的优势。在需要对外部事件进行快速和可靠处理的应用中,使用外部中断是一个非常有效的方法。

二、中断原理

在单片机中,中断是指当 CPU 在正常处理主程序时,突然发生了另一件事件 A(中断发生)需要 CPU 去处理,这时 CPU 就会暂停处理主程序(中断响应),转而去处理事件 A(中断服务)。当事件 A 处理完以后,再回到主程序原来中断的地方继续执行主程序(中断返回)。这一整个过程称为中断。

ESP32外部中断原理详解及代码示例_第2张图片

 三、中断分类

 中断可以根据中断源分为 硬件中断 和 软件中断

  1. 硬件中断:也被称为外部中断,硬件中断响应外部硬件事件而发生。例如,当检测到触摸时会发生触摸中断,而当 GPIO 引脚的状态发生变化时会发生 GPIO 中断。GPIO 中断和触摸中断属于这一类;
  2. 软件中断:当触发软件事件(例如定时器溢出)时,会发生这种类型的中断。定时器中断是软件中断的一个例子。

注意:ESP32 无法使用 MicroPython 设置中断的优先级。 

ESP32 的外部中断有上升沿、下降沿、低电平、高电平触发模式。上升沿和下降沿触发如下:

ESP32外部中断原理详解及代码示例_第3张图片

 四、实例

通过外部中断实现按键控制 LED。

 ESP32外部中断原理详解及代码示例_第4张图片

from machine import Pin

button = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)

# 配置中断模式
button.irq(handler, trigger)

外部中断通过 Pin 模块来配置。

其中 button.irq(handler, trigger) 是配置中断模式,参数意义:

  • handler: 中断执行的回调函数;
  • trigger: 触发中断的方式,共 4 种,分别是 Pin.IRQ_FALLING(下降沿触发)、Pin.IRQ_RISING(上升沿触发)、Pin.IRQ_LOW_LEVEL(低电平触发)、Pin.IRQ_HIGH_LEVEL(高电平触发)。

完整代码

 实例1:

import time
from machine import Pin

button = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)

led = Pin(2, Pin.OUT)

# 定义 button 的外部中断函数
def button_irq(button):
    time.sleep_ms(80)
    if button.value() == 1:
        led.value(not led.value())

button.irq(button_irq, Pin.IRQ_RISING)

实例2:

'''
该程序作用是使用外部中断控制按键输入
在线文档:https://docs.geeksman.com/esp32/MicroPython/15.esp32-micropython-interrupt.html
'''
import time
from machine import Pin


# 定义 PIN 引脚对象
button = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)
led = Pin(2, Pin.OUT)


# 定义外部中断函数
def button_irq(button):
    # 按键消抖
    time.sleep_ms(10)
    if button.value() == 1:
        led.value(not led.value())
        
        
# 绑定中断函数
button.irq(button_irq, Pin.IRQ_RISING)

实例3(Arduino)

/*
  该程序的作用是实现在串口屏中显示中断触发信息
  在线文档:https://docs.geeksman.com/esp32/Arduino/15.esp32-arduino-interrupt.html
*/

#define BUTTON 14


// 定义可以在外部中断函数内部使用的变量
volatile bool flag = false;

void handle_interrupt() {
  flag = true;
}


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLDOWN);

  // 配置中断引脚
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON), handle_interrupt, FALLING);
}


void loop() {
  if (flag) {
    Serial.println("外部中断触发了");
    flag = false;
    }
  
}

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