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ESP32 外设控制基础：GPIO 应用详解与输入输出案例

news 2025/8/3 9:00:52

一、什么是 GPIO？

GPIO（General Purpose Input Output）意为“通用输入输出端口”，是一种可以通过软件灵活配置为输入或输出的引脚。它在嵌入式开发中的典型应用包括：

控制 LED 灯、继电器、蜂鸣器等输出设备
检测按键、拨码开关等输入设备
与传感器或其他模块进行高低电平交互
还有模拟I2C SPI I2S等通讯协议

二、ESP32 GPIO 特性

ESP32 芯片提供了丰富的 GPIO 引脚，具体特性如下：

最多支持 39 个 GPIO，编号为 GPIO0 ~ GPIO39（部分为输入专用）
每个 GPIO 均可配置为输入、输出、上拉、下拉、中断等模式
支持 中断触发（上升沿/下降沿/电平触发）
部分 GPIO 还支持特定的外设功能（如 PWM、ADC、I2C、SPI）

注意：部分 GPIO 有特殊功能限制，例如 GPIO6~GPIO11 为 Flash 通信专用引脚，不建议作为通用 GPIO 使用。

三、GPIO 配置结构体与常用函数

在 ESP-IDF 框架中（ESP32 官方开发框架），GPIO 的使用主要通过以下结构体与 API 实现。

3.1 GPIO 配置结构体

ESP32 使用 gpio_config_t 结构体来配置 GPIO 属性：

typedef struct {uint64_t pin_bit_mask;            // 要配置的 GPIO 位掩码，例如 (1ULL<<GPIO_NUM_2)gpio_mode_t mode;                // GPIO 模式（输入、输出、或输入输出）gpio_pullup_t pull_up_en;       // 是否启用上拉gpio_pulldown_t pull_down_en;   // 是否启用下拉gpio_int_type_t intr_type;      // 中断类型（上升沿/下降沿/电平）} gpio_config_t;

3.2 常用 GPIO 控制函数

以下是 ESP-IDF 中使用 GPIO 的常用函数：

函数	说明
`gpio_config()`	初始化并配置 GPIO 参数
`gpio_set_level()`	设置 GPIO 输出高/低电平（0 或 1）
`gpio_get_level()`	读取 GPIO 当前输入电平
`gpio_set_direction()`	设置 GPIO 的输入/输出方向
`gpio_install_isr_service()`	安装 GPIO 中断服务
`gpio_isr_handler_add()`	添加中断处理函数
`gpio_intr_enable()` / `gpio_intr_disable()`	启用或关闭某 GPIO 中断功能

四、GPIO 控制 LED 示例

以下代码展示如何使用 GPIO 控制一个连接在 GPIO2 上的 LED。

4.1 示例代码

#include"driver/gpio.h"#include"freertos/FreeRTOS.h"#include"freertos/task.h"#define LED_GPIO GPIO_NUM_2void app_main(void) {    gpio_reset_pin(LED_GPIO);  // 重置 GPIO 状态    gpio_set_direction(LED_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);  // 设置为输出模式while (1) {        gpio_set_level(LED_GPIO, 1);  // 点亮 LED        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));        gpio_set_level(LED_GPIO, 0);  // 熄灭 LED        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));    }}

4.2 说明

gpio_reset_pin()：清除之前可能的配置
gpio_set_direction()：设置方向为输出
gpio_set_level()：设置电平状态

这是一个标准的“LED 闪烁”示例，每隔 500ms 切换一次电平状态。

五、GPIO 监听按键输入案例

接下来展示如何监听按键输入。假设一个按键连接到 GPIO4，当按下按键（电平变低）时，控制 LED 灯亮起。

5.1 示例代码

#define LED_GPIO     GPIO_NUM_2#define KEY_GPIO     GPIO_NUM_4void app_main(void) {// 配置 LED 引脚    gpio_reset_pin(LED_GPIO);    gpio_set_direction(LED_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);// 配置按键引脚    gpio_reset_pin(KEY_GPIO);    gpio_set_direction(KEY_GPIO, GPIO_MODE_INPUT);    gpio_pullup_en(KEY_GPIO);  // 开启上拉，避免悬空while (1) {int key_level = gpio_get_level(KEY_GPIO);if (key_level == 0) {  // 按下为低电平            gpio_set_level(LED_GPIO, 1);  // 点亮 LED        } else {            gpio_set_level(LED_GPIO, 0);  // 熄灭 LED        }        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));  // 简单防抖延迟    }}

5.2 说明

按键使用输入模式，使用内部上拉电阻。
检测按键是否被按下，通过 gpio_get_level() 读取电平状态。
使用一个简单延迟代替硬件防抖。

六、中断方式监听按键（高级）

如果不想频繁轮询，可以使用 GPIO 中断方式检测按键。

6.1 配置中断处理器示例

static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void* arg) {    gpio_set_level(LED_GPIO, !gpio_get_level(LED_GPIO));  // LED 取反}

void app_main(void) {// 配置 LED    gpio_reset_pin(LED_GPIO);    gpio_set_direction(LED_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);// 配置按键为下降沿中断输入

gpio_config_t io_conf = {        .pin_bit_mask = (1ULL << KEY_GPIO),        .mode = GPIO_MODE_INPUT,        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,        .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,        .intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE,    };    gpio_config(&io_conf);    gpio_install_isr_service(0);  // 安装 ISR 服务    gpio_isr_handler_add(KEY_GPIO, gpio_isr_handler, NULL);  // 添加 ISR 处理函数}