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wzjs 2025/9/7 2:01:29

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Arduino 入门学习笔记（六）：外部中断实验

开发板：正点原子ESP32S3
例程源码在文章顶部可免费下载（审核中…）

1. 外部中断介绍

很多时候，我们程序采集一个传感器的数据，采集后就要进行分析判断，若符合某个条件就会做出处理。为了随时根据传感器的变化做出反应，所以程序需要一直重复这个过程。这种方式称为轮询，这种方式是最简单的。
但轮询有时候并不能很好完成一些实际场景的应用，比如我某个时刻按下按键，但这时候程序执行的是采集传感器数据的过程，这就意味着没有检测到按键按下的动作，此时该系统就成了无法正常响应的系统了。通过对该按键配置外部中断功能，这时候就能很好解决上述问题。

1.1 中断程序

外部中断是由外部设备发起请求的中断。每个中断对应一个中断程序，中断可以看作一段独立于主程序之外的程序，也称为中断回调函数。当中断被触发时，控制器会暂停当前正在运行的主程序，而跳转去运行中断程序。当中断程序运行完毕，则返回到先前主程序暂停的位置，继续运行主程序，如此便可达到实时响应处理事件的效果。中断程序运行示意图如下图所示：
在这里插入图片描述

1.2 ESP32-S3 的中断介绍

便于大家了解 ESP32-S3 芯片的中断知识，这里简单介绍一下。
ESP32-S3 有 99 个外部中断源，但是 CPU0 或 CPU1 只能够处理 32 个中断。 ESP32-S3 将外部中断映射到 CPU0 或 CPU1 中断就需要用到中断矩阵。中断映射的过程如下图所示：
在这里插入图片描述
ESP32-S3 中断矩阵会将任一外部中断源单独分配到双核 CPU 的任一外部中断上，以便在外设中断信号产生后，及时通知 CPU0 或 CPU1 进行处理。每个 CPU 都有 32 个中断号(0 ~ 31)，其中包括 26 个外部中断， 6 个内部中断。
外部中断为外部中断源引发的中断，包括下面三种类型：
1）电平触发类型中断：高电平触发，要求保持中断的电平状态直到 CPU 响应
2）边沿触发类型中断：上升沿触发，此中断一旦产生， CPU 即可响应
3） NMI 中断：不可屏蔽中断，产生该中断时，表示系统发生了致命错误
内部中断为 CPU 内部自己产生的中断，包括以下三种类型：
1）定时器中断：由内部定时器触发，可用于产生周期性的中断
2）软件中断：软件写特殊寄存器时将触发此中断
3）解析中断：用于性能监测和分析
ESP32-S3 的外部中断是很强大的，每个引脚都可设置成外部中断触发引脚。但在大部分的Arduino 控制器上，并非所有引脚都有中断功能。只有少数带外部中断功能的引脚上， Arduino控制器才能捕获到该中断信号并做出反应。在这过程中，难免需要通过中断引脚找中断的编号。

1.3 中断触发模式

ESP32-S3 的中断触发模式有 5 种，即前面所提及的电平触发以及边沿触发，如下表所示：
在这里插入图片描述

1.4 中断触发函数介绍

Arduino-esp32 库提供了两个中断函数，一个用于对中断引脚进行初始化设置，另一个是关闭外部中断。
attachInterrupt 函数，该函数功能是指定中断引脚，并对中断引脚进行初始化设置。

void attachInterrupt(uint8_t pin, voidFuncPtr handler, int mode);

参数 pin 为要设置中断触发输入的引脚， ESP32-S3 所有引脚均可以配置为外部中断引脚。
参数 handler 为中断回调函数，当引脚中断触发时，会终止当前运行的程序，转而执行该程序。
参数 mode 为 5 种中断触发模式。
注意：中断回调函数不能有参数，且没有返回值。
假如不需要监测某个引脚的信号变化，可通过 detachInterrupt 函数关闭外部中断。

void detachInterrupt(uint8_t pin);

其中参数 pin 为已经设置中断触发输入的引脚。在本例程中没有用到该函数。
另外，很多时候，我们会见到 attachInterrupt 函数的第一参数会使用 digitalPinToInterrupt(pin)函数，这里简单解释一下为什么？
其实前面也有所提及，在一些 Arduino 开发板中比如 Arduino Uno、 Leonardo，只有 2 和 3引脚有外部中断功能，而中断编号对应为 0 和 1。在 Arduino Uno 开发板中， attachInterrupt 函数第一个参数为中断编号，第二个参数为中断回调函数，第三个参数为触发模式，所以为了避免硬件引脚和中断编号，直接通过 digitalPinToInterrupt 函数解决。很多时候， attachInterrupt 函数的使用也采用以下方式。

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), handler, mode);

ESP32-S3 的中断引脚跟中断编号一致，也可不必用 digitalPinToInterrupt 函数，但是你在程序中也没有问题

2. 硬件设计

2.1 例程功能

通过外部中断的方式让开发板上的 BOOT 独立按键控制 LED 灯翻转。

2.2 硬件资源

1） LED 灯：LED-IO1
2）独立按键：BOOT-IO0

2.3 原理图

独立按键硬件部分的原理图，如下图所示：
在这里插入图片描述
这里需要注意的是： BOOT 设计为采样到按键另一端的低电平为有效电平。

3. 软件设计

3.1 程序流程图

下面看看本实验的程序流程图：
在这里插入图片描述

3.2 程序解析

exti 驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。 EXTI 驱动源码包括两个文件： exti.cpp 和 exti.h。
下面我们先解析exti.h的程序。由硬件设计小节，我们知道KEY按键在硬件上连接到IO0，为了与按键实验进行区分，我们做了下面的引脚定义。

/* 引脚定义 */
#define KEY_INT_PIN 0 /* 外部中断引脚 IO0 */

下面我们再解析 exti.cpp 的程序，这里有两个函数 exti_init 和 key_isr，其定义如下：

uint8_t led_state = 0; /* 决定灯亮灭状态变量 */
/**
* @brief 初始化外部中断相关 IO 口
* @param 无
* @retval 无
*/
void exti_init(void)
{
key_init(); /* KEY 初始化 */
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(KEY_INT_PIN), key_isr, FALLING);
/* 设置 KEY 引脚为中断引脚,下降沿触发 */
}
/**
* @brief KEY 外部中断回调函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void key_isr(void)
{
delay(10);
if (KEY == 0)
{led_state =! led_state; /* 两种情况：从 0 变 1，从 1 变为 0 */}
}

exti_init 函数是初始化外部中断引脚，首先调用 key_init 设置 KEY 引脚为上拉输入模式，然后调用 attachInterrupt 函数设置中断回调函数和设置中断引脚为下降沿触发。
key_isr 函数就是中断引脚的中断回调函数。当按键被按下时，出现了下降沿即高电平变为低电平时，这时候就会跳到该函数去执行。函数内部很简单，首先调用 delay 函数进行按键消抖，然后判断按键是否真的被按下。当按键是按下情况，就对全局变量 led_state 进行取反操作，即 led_state 就有两种情况 0 和 1，最终在 loop 函数中作为 LED(x)宏函数的参数 x 决定了 LED灯的状态。

03_exti.ino 代码
03_exti.ino 代码：

#include "led.h"
#include "exti.h"
/**
* @brief 当程序开始执行时，将调用 setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
* @param 无
* @retval 无
*/
void setup()
{
led_init(); /* LED 初始化 */
exti_init(); /* 外部中断引脚初始化 */
}
/**
* @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
* @param 无
* @retval 无
*/
void loop()
{
LED(led_state); /* 灯的亮灭由 led_state 值决定,led_state 变化在 key_isr 函数中实现 */
}

在 setup 函数中，除了要调用 led_init 函数对 LED 灯进行初始化，还要调用 exti_init 函数对按键 KEY 进行初始化以及配置 KEY 所在引脚的下降沿触发中断功能。接下来，在 loop 函数中， LED 的状态通过全局变量 led_state 决定，若 led_state 为 0，即运行 LED(0)代码，这时候LED 灯就会亮起；若 led_state 为 1，即运行 LED(1)代码，这时候 LED 灯就会熄灭。
当按键被按下时，这时候出现了下降沿，就会触发中断，进入到中断回调函数中。在该函数中，会对全局变量 led_state 进行取反操作，执行完又回到 loop 函数暂停的地方继续往下执行。最终，实现的效果就是：通过按下按键， LED 灯的状态会进行翻转。