【ESP32 IDF快速入门】点亮第一个LED灯与流水灯

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前言

ESP32是一款功能强大的微控制器，广泛应用于物联网（IoT）和嵌入式系统开发中。ESP32的开发环境包括ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework），它提供了丰富的工具和库，使开发人员能够充分利用ESP32的性能和功能。

本文旨在介绍ESP32 IDF的快速入门，通过简单的示例演示如何点亮第一个LED灯和实现流水灯效果。这些基础示例将帮助初学者了解如何使用ESP32 IDF进行开发，并为后续的项目打下基础。

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一、有哪些工作模式？

1.1 GPIO的详细介绍

GPIO是General-purpose and alternate-function I/Os的缩写
他的含义是：通用和复用的引脚

GPIO是分组的，每一组有很多引脚
比如说PA0、PA1…PA15，一组GPIO有16个引脚
组数是由芯片决定的，具体的组数可以看对应的芯片的原理图

1.2 GPIO的内部框图

我们可以在芯片手册中找到GPIO的对应框图，他说对于某一个引脚的：

他可以分为两部分，上部分就是输入，下部分就是输出

输入模式

输入模式的框图如下：

要理解他，我们可以看下面的图：

我们通过配置pin1让他为输入，然后我们读某个寄存器就可以得到他的状态。
当k1按下，接到电源，那么pin肯定状态是1高电平，如果没有按下，相当于这个引脚是悬空状态
那么你读这个值，你知道他是什么状态吗，可能读出来是1，可以是0

再比如，我们配置pin2让他为输入，和上面一样，我们也去读，按下时为0，那么没有按下是什么状态呢，就和上面的是一样的了

那么我们怎么解决他这个问题呢
对于pin1我们可以加一个下拉电阻

那么他按下时就就会是高电平，没按就是低电平

同样的对于pin2，就需要加上拉电阻了

那么他按下时就就会是低电平，没按就是高电平

所以上下拉电阻是需要看实际的情况来选择的。

这些电阻集成到了芯片，我们可以直接设置他，是上拉还是下拉，我们就不用每一个都搞一个电阻了

回到框图：

其中，里面的VDD为上拉电阻
Vss为下拉电阻，他在芯片中已经设计好的了

还有一种输入就是 Analog Input，模拟输入，那么模拟输入的话，他需要得到具体的电压值，所以我们不能设置上下拉电阻，完全由外部电路控制，要不然模拟输入和直接输入没两样了

那么输入就是这几部分：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入

在最后我们通过读取输入寄存器：Input data register，得到1/0

如果说他有毛刺怎么办：他会在某一个范围电压内为1，某一个电压范围为0

输出部分

他这个GPIO可以接到一个灯，或者其他的芯片
如果是点灯，那么电压肯定是越高越好
如果是关灯，电压肯定是越低越好

当输出1时，I/O pin连接到P-MOS的VDD，然后就能点灯了
如果输出0，P-MOS断开，连接地，所以就关灯
推挽输出：当你要高电平，就推到VDD，如果要低电平，就推到VSS这样就是推挽输出，可以输出高低电平

开漏输出：
在开漏输出中，有两种状态：开和关。当开漏输出为开启状态时，它会将电路连接到地（或负极），使得电路的输出变为低电平。而当开漏输出为关闭状态时，它不会连接到任何地方，使得电路的输出由外部设备或其他电路来控制。

开漏输出一般是用来解决两个芯片通信的问题的
不至于把两个芯片搞坏

二、GPIO操作函数

2.1 GPIO 汇总

ESP32 芯片具有 34 个物理 GPIO 管脚（GPIO0 ~ GPIO19、GPIO21 ~ GPIO23、GPIO25 ~ GPIO27 和 GPIO32 ~ GPIO39）。每个管脚都可用作一个通用 IO，或连接一个内部的外设信号。通过 IO MUX、RTC IO MUX 和 GPIO 交换矩阵，可配置外设模块的输入信号来源于任何的 IO 管脚，并且外设模块的输出信号也可连接到任意 IO 管脚。这些模块共同组成了芯片的 IO 控制。

2.2 GPIO操作函数

在使用GPIO之前，你需要加上这个头文件:#include "driver/gpio.h"

gpio_config配置引脚

我们可以使用下面这个函数对一个GPIO进行配置：

esp_err_t gpio_config(const gpio_config_t *pGPIOConfig);

他的参数是一个结构体，他的类型如下：

typedef struct {
    uint64_t pin_bit_mask;          /*!< GPIO pin: set with bit mask, each bit maps to a GPIO */
    gpio_mode_t mode;               /*!< GPIO mode: set input/output mode                     */
    gpio_pullup_t pull_up_en;       /*!< GPIO pull-up                                         */
    gpio_pulldown_t pull_down_en;   /*!< GPIO pull-down                                       */
    gpio_int_type_t intr_type;      /*!< GPIO interrupt type                                  */
} gpio_config_t;

pin_bit_mask：
作用：用于设置GPIO引脚。每个位（bit）对应一个GPIO引脚，通过位掩码的方式来选择要配置的GPIO引脚。
类型：uint64_t，64位的整数类型。
比如把GPIO10设置：

gpio_config_t gpio_conf;
gpio_conf.pin_bit_mask = (1ULL << 10); // 将第10位设置为1，表示选择GPIO10

mode：
作用：设置GPIO引脚的工作模式，即输入模式（input）还是输出模式（output）。
类型：gpio_mode_t，是一个枚举类型，可能的取值包括 GPIO_MODE_INPUT 和 GPIO_MODE_OUTPUT。

pull_up_en：
作用：启用或禁用GPIO引脚的上拉电阻。
类型：gpio_pullup_t，是一个枚举类型，可能的取值包括 GPIO_PULLUP_DISABLE 和 GPIO_PULLUP_ENABLE。
pull_down_en：

作用：启用或禁用GPIO引脚的下拉电阻。
类型：gpio_pulldown_t，是一个枚举类型，可能的取值包括 GPIO_PULLDOWN_DISABLE 和 GPIO_PULLDOWN_ENABLE。
intr_type：

作用：配置GPIO引脚的中断类型，即何种事件会触发中断。
类型：gpio_int_type_t，是一个枚举类型，可能的取值包括 GPIO_INTR_DISABLE、GPIO_INTR_ANYEDGE、GPIO_INTR_NEGEDGE 和 GPIO_INTR_POSEDGE。分别表示禁用中断、任意边沿触发、下降沿触发和上升沿触发。

他的放回值为esp_err_t类型，他是一个int类型

他有如下的取值

/* Definitions for error constants. */
#define ESP_OK          0       /*!< esp_err_t value indicating success (no error) */
#define ESP_FAIL        -1      /*!< Generic esp_err_t code indicating failure */

#define ESP_ERR_NO_MEM              0x101   /*!< Out of memory */
#define ESP_ERR_INVALID_ARG         0x102   /*!< Invalid argument */
#define ESP_ERR_INVALID_STATE       0x103   /*!< Invalid state */
#define ESP_ERR_INVALID_SIZE        0x104   /*!< Invalid size */
#define ESP_ERR_NOT_FOUND           0x105   /*!< Requested resource not found */
#define ESP_ERR_NOT_SUPPORTED       0x106   /*!< Operation or feature not supported */
#define ESP_ERR_TIMEOUT             0x107   /*!< Operation timed out */
#define ESP_ERR_INVALID_RESPONSE    0x108   /*!< Received response was invalid */
#define ESP_ERR_INVALID_CRC         0x109   /*!< CRC or checksum was invalid */
#define ESP_ERR_INVALID_VERSION     0x10A   /*!< Version was invalid */
#define ESP_ERR_INVALID_MAC         0x10B   /*!< MAC address was invalid */

#define ESP_ERR_WIFI_BASE           0x3000  /*!< Starting number of WiFi error codes */
#define ESP_ERR_MESH_BASE           0x4000  /*!< Starting number of MESH error codes */
#define ESP_ERR_FLASH_BASE          0x6000  /*!< Starting number of flash error codes */
#define ESP_ERR_HW_CRYPTO_BASE      0xc000  /*!< Starting number of HW cryptography module error codes */

reset 引脚函数

我们可以使用下面这个函数重置指定的引脚：

esp_err_t gpio_reset_pin(gpio_num_t gpio_num);

他的参数是一个枚举，里面有所有的引脚定义：

typedef enum {
    GPIO_NUM_NC = -1,    /*!< Use to signal not connected to S/W */
    GPIO_NUM_0 = 0,     /*!< GPIO0, input and output */
    GPIO_NUM_1 = 1,     /*!< GPIO1, input and output */
    GPIO_NUM_2 = 2,     /*!< GPIO2, input and output */
    GPIO_NUM_3 = 3,     /*!< GPIO3, input and output */
    GPIO_NUM_4 = 4,     /*!< GPIO4, input and output */
    GPIO_NUM_5 = 5,     /*!< GPIO5, input and output */
    GPIO_NUM_6 = 6,     /*!< GPIO6, input and output */
    GPIO_NUM_7 = 7,     /*!< GPIO7, input and output */
    GPIO_NUM_8 = 8,     /*!< GPIO8, input and output */
    GPIO_NUM_9 = 9,     /*!< GPIO9, input and output */
    GPIO_NUM_10 = 10,   /*!< GPIO10, input and output */
    GPIO_NUM_11 = 11,   /*!< GPIO11, input and output */
    GPIO_NUM_12 = 12,   /*!< GPIO12, input and output */
    GPIO_NUM_13 = 13,   /*!< GPIO13, input and output */
    GPIO_NUM_14 = 14,   /*!< GPIO14, input and output */
    GPIO_NUM_15 = 15,   /*!< GPIO15, input and output */
    GPIO_NUM_16 = 16,   /*!< GPIO16, input and output */
    GPIO_NUM_17 = 17,   /*!< GPIO17, input and output */
    GPIO_NUM_18 = 18,   /*!< GPIO18, input and output */
    GPIO_NUM_19 = 19,   /*!< GPIO19, input and output */
    GPIO_NUM_20 = 20,   /*!< GPIO20, input and output */
    GPIO_NUM_21 = 21,   /*!< GPIO21, input and output */
    GPIO_NUM_22 = 22,   /*!< GPIO22, input and output */
    GPIO_NUM_23 = 23,   /*!< GPIO23, input and output */
    GPIO_NUM_25 = 25,   /*!< GPIO25, input and output */
    GPIO_NUM_26 = 26,   /*!< GPIO26, input and output */
    GPIO_NUM_27 = 27,   /*!< GPIO27, input and output */
    GPIO_NUM_28 = 28,   /*!< GPIO28, input and output */
    GPIO_NUM_29 = 29,   /*!< GPIO29, input and output */
    GPIO_NUM_30 = 30,   /*!< GPIO30, input and output */
    GPIO_NUM_31 = 31,   /*!< GPIO31, input and output */
    GPIO_NUM_32 = 32,   /*!< GPIO32, input and output */
    GPIO_NUM_33 = 33,   /*!< GPIO33, input and output */
    GPIO_NUM_34 = 34,   /*!< GPIO34, input mode only */
    GPIO_NUM_35 = 35,   /*!< GPIO35, input mode only */
    GPIO_NUM_36 = 36,   /*!< GPIO36, input mode only */
    GPIO_NUM_37 = 37,   /*!< GPIO37, input mode only */
    GPIO_NUM_38 = 38,   /*!< GPIO38, input mode only */
    GPIO_NUM_39 = 39,   /*!< GPIO39, input mode only */
    GPIO_NUM_MAX,
/** @endcond */
} gpio_num_t;

你可以直接填写引脚数字即可。

设置引脚电平

我们可以使用下面这个函数来设置指定引脚的电平：

esp_err_t gpio_set_level(gpio_num_t gpio_num, uint32_t level)

参数1为设置哪个引脚，参数2为是高电平还是低电平

选中对应引脚

我们可以使用下面的函数使物理引脚转换成GPIO引脚：

void gpio_pad_select_gpio(uint8_t gpio_num);

例如：

gpio_pad_select_gpio(10);

设置引脚的方向

我们可以使用下面函数来设置引脚是输入模式还是输出模式：

esp_err_t gpio_set_direction(gpio_num_t gpio_num, gpio_mode_t mode)

其参数2为一个枚举类型，下面为他的定义：

typedef enum {
    GPIO_MODE_DISABLE = GPIO_MODE_DEF_DISABLE,                                                         /*!< GPIO mode : disable input and output             */
    GPIO_MODE_INPUT = GPIO_MODE_DEF_INPUT,                                                             /*!< GPIO mode : input only                           */
    GPIO_MODE_OUTPUT = GPIO_MODE_DEF_OUTPUT,                                                           /*!< GPIO mode : output only mode                     */
    GPIO_MODE_OUTPUT_OD = ((GPIO_MODE_DEF_OUTPUT) | (GPIO_MODE_DEF_OD)),                               /*!< GPIO mode : output only with open-drain mode     */
    GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD = ((GPIO_MODE_DEF_INPUT) | (GPIO_MODE_DEF_OUTPUT) | (GPIO_MODE_DEF_OD)), /*!< GPIO mode : output and input with open-drain mode*/
    GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT = ((GPIO_MODE_DEF_INPUT) | (GPIO_MODE_DEF_OUTPUT)),                         /*!< GPIO mode : output and input mode                */
} gpio_mode_t;

2.3 点亮第一个灯

gpio_reset_pin(22);
gpio_pad_select_gpio(22);
gpio_set_direction(22,GPIO_MODE_OUTPUT);

for(int i = 0;i<10;i++)
{
    gpio_set_level(22,1);
    vTaskDelay(100);
    gpio_set_level(22,0);
    vTaskDelay(100);
}

三、流水灯

#include 
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"

#define LED_GPIO_1  GPIO_NUM_25
#define LED_GPIO_2  GPIO_NUM_26
#define LED_GPIO_3  GPIO_NUM_27

void app_main() {
    // 配置GPIO引脚
    gpio_pad_select_gpio(LED_GPIO_1);
    gpio_pad_select_gpio(LED_GPIO_2);
    gpio_pad_select_gpio(LED_GPIO_3);
    gpio_set_direction(LED_GPIO_1, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_set_direction(LED_GPIO_2, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_set_direction(LED_GPIO_3, GPIO_MODE_OUTPUT);

    while (1) {
        // 依次点亮LED
        gpio_set_level(LED_GPIO_1, 1);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
        gpio_set_level(LED_GPIO_1, 0);
        gpio_set_level(LED_GPIO_2, 1);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
        gpio_set_level(LED_GPIO_2, 0);
        gpio_set_level(LED_GPIO_3, 1);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
        gpio_set_level(LED_GPIO_3, 0);
    }
}

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总结

通过本文的介绍，读者可以快速了解如何在ESP32上使用ESP-IDF进行开发。我们首先介绍了如何点亮第一个LED灯，通过简单的代码演示了如何配置GPIO并控制LED的状态。接着，我们进一步展示了如何实现流水灯效果，通过循环控制多个LED的状态，从而创建动态的灯光效果。

这些示例不仅帮助读者熟悉ESP32的开发流程和基本操作，还为他们提供了一个良好的起点，使他们能够深入学习ESP32的更高级功能和应用。ESP32 IDF提供了丰富的文档和示例代码，读者可以进一步探索和实践，开发出更加复杂和功能丰富的项目。