定时器中断

罗大富 BigRich大约 6 分钟ESP32Arduino

上一节我们介绍了 ESP32 的外部中断的使用，本节课介绍 ESP32 的定时器功能。

实验原理

定时器，顾名思义就是用来计时的，我们常常会设置计时或闹钟，然后时间到了就告诉我们要做什么。ESP32 也是这样，通过定时器可以完成各种预设好的任务。ESP32 定时器到达指定时间后也会产生中断，然后在回调函数内执行所需功能，这个和外部中断类似。

在 Arduino 中操控 ESP32 时，有 硬件定时器 和 软件定时器 两种类型的定时器可供选择。它们具有不同的工作原理和用途。

硬件定时器 是 ESP32 芯片上的内置计时器，它们是专门设计用于定时和计时任务的硬件模块。硬件定时器可以通过设置特定的寄存器来配置和控制，通常具有更高的精确度和稳定性。它们不受软件的影响，可以在后台独立运行，不会受到其他代码的干扰。硬件定时器适用于需要高精度和实时性的定时任务，例如 PWM 输出、捕获输入脉冲等。

软件定时器 是通过编写代码在 Arduino 中模拟实现的定时器。它们不依赖于硬件模块，而是使用计数器变量来实现定时功能。软件定时器是基于延时循环的原理，在特定的时间间隔内执行特定的任务。但是，使用软件定时器时需要注意，它们可能会受到其他代码的影响而产生误差，特别是当涉及到需要精确时间控制的应用时，如通信协议处理、高速数据采集等。

硬件定时器和软件定时器各有优劣，具体选择取决于你的应用需求。如果需要高精度、实时性和稳定性，建议使用硬件定时器。如果时间精度要求不高，或者只需要基本的定时功能，可以使用软件定时器来简化代码编写。

需要注意的是，ESP32 具有 4 个硬件定时器，具体使用哪个定时器取决于你的需求和硬件资源的可用性。请参考 ESP32 的官方文档和相关库的文档以获取更详细的信息和使用示例。

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称数量
直插式 LED2
1kΩ 电阻2
杜邦线(跳线)若干
面包板1

LED 的正极接开发板的 D2、D4 引脚，并串联一个电阻，负极接 GND，如下图：

注意

一定要接电阻，不然会由于电流过大，烧坏 LED。

软件程序设计

1. 硬件定时器

在 ESP32 Arduino 开发环境中，可以使用以下几个库函数来配置和操作硬件定时器（Timer）：

  1. void timerBegin(timer_num_t timer_num, uint32_t divider, bool count_up)：初始化硬件定时器，参数说明：
  • timer_num：定时器编号，可选值为 0-3 等。
  • divider：定时器的分频系数，用于设置定时器的时钟频率。较大的分频系数将降低定时器的时钟频率。可以根据需要选择合适的值，一般设置为 80 即可；
  • count_up：指定定时器是否为向上计数模式。设置为 true 表示向上计数，设置为 false 表示向下计数。
  1. timerAttachInterrupt(hw_timer_t *timer, void (*isr)(void *), void *arg, int intr_type)：用于将中断处理函数与特定的定时器关联起来，参数含义如下：
  • timer；定时器指针；
  • isr: 中断处理函数。
  • arg: 传递给中断处理函数的参数。
  • intr_type: 中断类型，可选值为 ture（边沿触发）或 false（电平触发）。
  1. timerAlarmWrite(hw_timer_t *timer, uint64_t alarm_value, bool autoreload)：用于设置定时器的计数值，即定时器触发的时间间隔，参数含义如下：
  • timer：定时器指针；
  • alarm_value: 定时器的计数值，即触发时间间隔；
  • autoreload: 是否自动重载计数值，可选值为 true（自动重载）或 false（单次触发）。
  1. timerAlarmEnable(hw_timer_t *timer)：用于启动定时器，使其开始计数；
  2. timerAlarmDisable(hw_timer_t *timer)：用于禁用定时器，停止计数；
  3. timerGetAutoReload(hw_timer_t *timer)：获取定时器是否自动重新加载；
  4. timerAlarmRead(hw_timer_t *timer)：获取定时器计数器报警值；
  5. timerStart(hw_timer_t *timer)：计数器开始计数；
  6. timerStop(hw_timer_t *timer)：计数器停止计数；
  7. timerRestart(hw_timer_t *timer)：计数器重新开始计数，从 0 开始；
  8. timerStarted(hw_timer_t *timer)：计数器是否开始计数。

以上是一些常用的硬件定时器相关的库函数，你可以根据自己的需求和定时器的特性，调用适当的函数来配置和操作硬件定时器。请参考 ESP32 的官方文档和相关库的文档，以获取更详细的信息。

使用硬件定时器的基本步骤如下：

  1. 初始化定时器：使用 timerBegin() 函数初始化所需的硬件定时器；
  2. 注册中断处理函数：使用 timerAttachInterrupt() 函数将中断处理函数与定时器关联起来；
  3. 设置定时器模式：使用 timerAlarmWrite()，设置触发一次，还是周期性触发；
  4. 启动定时器：使用 timerAlarmEnable() 函数启动定时器，使其开始计数。

因此，我们的代码可以这么写：

#define LED   2
#define LED_ONCE  4

hw_timer_t *timer = NULL;
hw_timer_t *timer_once=NULL;


// 定时器中断处理函数
void timer_interrupt(){
  digitalWrite(LED, !digitalRead(LED));
}

void timer_once_interrupt() {
  digitalWrite(LED_ONCE, !digitalRead(LED_ONCE));
}
 
void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(LED_ONCE, OUTPUT);

  // 初始化定时器
  timer = timerBegin(0,80,true);
  timer_once = timerBegin(1, 80, true);

  // 配置定时器
  timerAttachInterrupt(timer,timer_interrupt,true);
  timerAttachInterrupt(timer_once, timer_once_interrupt, true);

  // 定时模式，单位us，只触发一次
  timerAlarmWrite(timer,1000000,true); 
  timerAlarmWrite(timer_once, 3000000, false);
  // 启动定时器
  timerAlarmEnable(timer); 
  timerAlarmEnable(timer_once);
 
}
 
void loop() {
}

2. 软件定时器

使用软件计时器的时候，我们需要用到 ESP32 内置的库 Ticker，Ticker 是 ESP32 Arduino 内置的一个定时器库，这个库用于规定时间后调用函数。

接着我们来看看 Ticker 库的一些方法

  • detach()：停止 Ticker；
  • active()：Ticker 是否激活状态，True 表示启用；
  • once(n, callback，arg)：n 秒后只执行一次 callback 函数，arg 表示回调函数的参数（不写表示没有）；
  • once_ms(n, callback，arg)：n 毫秒后只执行一次 callback 函数，arg 表示回调函数的参数（不写表示没有）；
  • attach(n, callback, arg)：每隔 n 秒周期性执行；
  • attach_ms(n, callback, arg)：每隔 n 毫秒周期性执行；

注意

不建议使用 Ticker 回调函数来阻塞 IO 操作（网络、串口、文件）；可以在 Ticker 回调函数中设置一个标记，在 loop 函数中检测这个标记；


#include <Ticker.h>
 
#define LED 4
#define LED_ONCE 2


// 定义定时器对象
Ticker timer;
Ticker timer_once;


// 定义定时器中断回调函数
void toggle(int pin) {
  digitalWrite(pin, !digitalRead(pin));
}
 

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(LED_ONCE, OUTPUT);

  // 配置周期性定时器
  timer.attach(0.5, toggle, LED);
  // 配置一次性定时器
  timer_once.once(3, toggle, LED_ONCE);
}
 
void loop() {
  
}
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贡献者: Luo