ESP32入门开发·外部中断·点击按键实现电平翻转

原创于 2025-08-14 06:00:00 发布 · 1.1k 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #嵌入式 #ESP32-S3 #VScode #ESP32-IDE

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1. 按键

都是一些基础的知识，主要了解一下什么是按键？以及什么是按键抖动？

按键：常见的输入设备，按下导通，松手断开；

按键抖动：由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的，所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动。

按键抖动会导致按键按下一次，结果出现多次连续触发，不利于逻辑梳理，因此按键的消抖非常有必要，按键的消抖常见的方法有软件消抖和硬件消抖。

1.1 软件消抖

软件消抖的原理一般是跳过按键抖动状态，读取按键稳定时IO口的电平作为按键状态。常用的方法：延时消抖法、计数消抖法和状态机法。

延时消抖法：就是在检测到按键按下时延时一段时间（比如10ms）再次读取按键IO的电平，检测两次读取的结果是否相同，相同则认为按键被按下。
计数消抖法：周期执行按键扫描程序在检测到按键变化时备份输入状态，清零计数器并开始计数，直到检测到按键弹起，如果计数值大于某个设定值则认为按键动作有效，否则按键动作无效。
状态机法：利用状态机的思想，通过定义按键的不同状态（如按下、释放、抖动等），根据输入信号和当前状态决定下一个状态，从而实现消抖。

1.2 硬件消抖

硬件消抖通常通过‌RC电路实现。在RC消抖电路中，电阻起到限流的作用，电容则用来储存电荷。当输入信号发生变化时，电容会通过电阻进行充放电，从而实现对信号的平滑处理。通过合理选择电阻和电容的数值，可以达到最佳的消抖效果。

常见电路如下：

2. 中断

2.1 中断简介

中断：在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件（中断源），使得CPU暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行；

中断优先级：当有多个中断源同时申请中断时，CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应更加紧急的中断源；

中断嵌套：当一个中断程序正在运行时，又有新的更高优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完成后依次进行返回。

2.2 外部中断简介

EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序；

支持的触发方式：上升沿/下降沿/双边沿/软件触发。

3. ESP32-S3中断分配

ESP32-S3 有两个核，每个核有 32 个中断。每个中断都有一个确定的优先级别，大多数中断（但不是全部）都连接到中断矩阵。

由于中断源数量多于中断，有时多个驱动程序可以共用一个中断。中断分配器提供两种不同的中断类型：共享中断和非共享中断，这两种中断需要不同处理方式。

非共享中断在每次调用 esp_intr_alloc() 时，都会分配一个单独的中断，该中断仅用于与其相连的外设，只调用一个 ISR。
共享中断则可以由多个外设触发，当其中一个外设发出中断信号时，会调用多个 ISR。因此，针对共享中断的 ISR 应检查对应外设的中断状态，以确定是否需要采取任何操作。

注意：非共享中断可由电平或边缘触发。共享中断只能由电平触发，因为使用边缘触发可能会错过中断。

至于原因，为什么共享中断只能由电平触发？我们举个例子，以外设 A 和外设 B 共用一个边缘触发中断为例，当外设 B 触发中断时，会将其中断信号设置为高电平，产生一个从低到高的边缘，进而锁存 CPU 中断位，并触发 ISR。接着，ISR 开始执行，检查到此时外设 A 没有触发中断，于是继续处理外设 B 的中断信号，最后将外设 B 的中断状态清除。最后，CPU 会在 ISR 返回之前清除中断位锁存器。因此在整个中断处理过程中，如果外设 A 触发了中断，该中断会因 CPU 清除中断位锁存器而丢失。

对于优先级的分配，在 ESP32-S3 上，中断优先级由 FreeRTOS 和硬件中断控制器（XTensa LX7 处理器）共同管理。

每个 Xtensa CPU 核都有六个内部外设：

三个定时器比较器
一个性能监视器
两个软件中断

/** @addtogroup Intr_Alloc_Pseudo_Src
  * @{
  */

/**
 * The esp_intr_alloc* functions can allocate an int for all ETS_*_INTR_SOURCE interrupt sources that
 * are routed through the interrupt mux. Apart from these sources, each core also has some internal
 * sources that do not pass through the interrupt mux. To allocate an interrupt for these sources,
 * pass these pseudo-sources to the functions.
 */
#define ETS_INTERNAL_TIMER0_INTR_SOURCE     -1 ///< Platform timer 0 interrupt source
#define ETS_INTERNAL_TIMER1_INTR_SOURCE     -2 ///< Platform timer 1 interrupt source
#define ETS_INTERNAL_TIMER2_INTR_SOURCE     -3 ///< Platform timer 2 interrupt source
#define ETS_INTERNAL_SW0_INTR_SOURCE        -4 ///< Software int source 1
#define ETS_INTERNAL_SW1_INTR_SOURCE        -5 ///< Software int source 2
#define ETS_INTERNAL_PROFILING_INTR_SOURCE  -6 ///< Int source for profiling
#define ETS_INTERNAL_UNUSED_INTR_SOURCE    -99 ///< Interrupt is not assigned to any source


//翻译一下
/**
esp_intr_alloc* 系列函数可以为所有通过中断复用器（interrupt mux）路由的 ETS_*_INTR_SOURCE 中断源分配中断。

除了这些中断源外，每个内核还有一些不经过中断复用器的内部中断源。若要为这些内部中断源分配中断，

需将这些伪中断源（pseudo-sources）作为参数传递给函数。
*/
#define ETS_INTERNAL_TIMER0_INTR_SOURCE -1 ///< 平台定时器 0 中断源
#define ETS_INTERNAL_TIMER1_INTR_SOURCE -2 ///< 平台定时器 1 中断源
#define ETS_INTERNAL_TIMER2_INTR_SOURCE -3 ///< 平台定时器 2 中断源
#define ETS_INTERNAL_SW0_INTR_SOURCE -4 ///< 软件中断源 1
#define ETS_INTERNAL_SW1_INTR_SOURCE -5 ///< 软件中断源 2
#define ETS_INTERNAL_PROFILING_INTR_SOURCE -6 ///< 性能分析专用中断源
#define ETS_INTERNAL_UNUSED_INTR_SOURCE -99 ///< 未分配给任何源的中断（保留未使用）

其上有 7 个可编程优先级级别（0~6），其中 0 是最低优先级，6 是最高优先级。

/** @brief Interrupt allocation flags
 *
 * These flags can be used to specify which interrupt qualities the
 * code calling esp_intr_alloc* needs.
 *
 */

//Keep the LEVELx values as they are here; they match up with (1<<level)
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL1        (1<<1)  ///< Accept a Level 1 interrupt vector (lowest priority)
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL2        (1<<2)  ///< Accept a Level 2 interrupt vector
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL3        (1<<3)  ///< Accept a Level 3 interrupt vector
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL4        (1<<4)  ///< Accept a Level 4 interrupt vector
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL5        (1<<5)  ///< Accept a Level 5 interrupt vector
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL6        (1<<6)  ///< Accept a Level 6 interrupt vector
#define ESP_INTR_FLAG_NMI           (1<<7)  ///< Accept a Level 7 interrupt vector (highest priority)
#define ESP_INTR_FLAG_SHARED        (1<<8)  ///< Interrupt can be shared between ISRs
#define ESP_INTR_FLAG_EDGE          (1<<9)  ///< Edge-triggered interrupt
#define ESP_INTR_FLAG_IRAM          (1<<10) ///< ISR can be called if cache is disabled
#define ESP_INTR_FLAG_INTRDISABLED  (1<<11) ///< Return with this interrupt disabled

#define ESP_INTR_FLAG_LOWMED    (ESP_INTR_FLAG_LEVEL1|ESP_INTR_FLAG_LEVEL2|ESP_INTR_FLAG_LEVEL3) ///< Low and medium prio interrupts. These can be handled in C.
#define ESP_INTR_FLAG_HIGH      (ESP_INTR_FLAG_LEVEL4|ESP_INTR_FLAG_LEVEL5|ESP_INTR_FLAG_LEVEL6|ESP_INTR_FLAG_NMI) ///< High level interrupts. Need to be handled in assembly.

/** Mask for all level flags */
#define ESP_INTR_FLAG_LEVELMASK (ESP_INTR_FLAG_LEVEL1|ESP_INTR_FLAG_LEVEL2|ESP_INTR_FLAG_LEVEL3| \
                                 ESP_INTR_FLAG_LEVEL4|ESP_INTR_FLAG_LEVEL5|ESP_INTR_FLAG_LEVEL6| \
                                 ESP_INTR_FLAG_NMI)


//翻译一下
/** @brief 中断分配标志位
这些标志用于指定调用 esp_intr_alloc* 的代码所需的中断特性。
*/

// 保持 LEVELx 的当前值不变，它们与 (1<<level) 对应
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL1 (1<<1) ///< 接受优先级 1 的中断向量（最低优先级）
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL2 (1<<2) ///< 接受优先级 2 的中断向量
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL3 (1<<3) ///< 接受优先级 3 的中断向量
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL4 (1<<4) ///< 接受优先级 4 的中断向量
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL5 (1<<5) ///< 接受优先级 5 的中断向量
#define ESP_INTR_FLAG_LEVEL6 (1<<6) ///< 接受优先级 6 的中断向量
#define ESP_INTR_FLAG_NMI (1<<7) ///< 接受优先级 7 的中断向量（最高优先级，不可屏蔽中断 NMI）
#define ESP_INTR_FLAG_SHARED (1<<8) ///< 中断可在多个 ISR 之间共享
#define ESP_INTR_FLAG_EDGE (1<<9) ///< 边沿触发中断
#define ESP_INTR_FLAG_IRAM (1<<10) ///< 即使缓存禁用，仍可调用此 ISR（必须位于 IRAM 中）
#define ESP_INTR_FLAG_INTRDISABLED (1<<11) ///< 分配时默认禁用此中断（需手动启用）

#define ESP_INTR_FLAG_LOWMED (ESP_INTR_FLAG_LEVEL1|ESP_INTR_FLAG_LEVEL2|ESP_INTR_FLAG_LEVEL3) ///< 低/中优先级中断。这些中断可在 C 代码中处理。
#define ESP_INTR_FLAG_HIGH (ESP_INTR_FLAG_LEVEL4|ESP_INTR_FLAG_LEVEL5|ESP_INTR_FLAG_LEVEL6|ESP_INTR_FLAG_NMI) ///< 高优先级中断。需在汇编中处理（响应时间敏感）。

/** 所有优先级标志的掩码 */
#define ESP_INTR_FLAG_LEVELMASK (ESP_INTR_FLAG_LEVEL1|ESP_INTR_FLAG_LEVEL2|ESP_INTR_FLAG_LEVEL3|
ESP_INTR_FLAG_LEVEL4|ESP_INTR_FLAG_LEVEL5|ESP_INTR_FLAG_LEVEL6|
ESP_INTR_FLAG_NMI)

定义 FreeRTOS 可以管理的中断的最高优先级（数值越小，优先级越高），优先级高于此值的中断（4~6）不会受 FreeRTOS 影响（不可调用 FreeRTOS API）。优先级低于或等于此值的中断（0~3）可以与 FreeRTOS 交互（如调用 xQueueSendFromISR）。

特性	ESP32-S3 支持情况
硬件优先级级别	7 级（0~6）
FreeRTOS 管理优先级	默认 0~3（可配置）
高优先级不可抢占中断	4~6（避免调用 FreeRTOS API）
推荐配置	Wi-Fi/BT 用 5~6，普通任务用 1~3

4. 代码编写

功能设计，每当按键按下一次，LED灯电平翻转一次。

4.1 LED初始化配置

调用 gpio_config_t 函数定义结构体变量，对所要配置的引脚，所使用的模式，是否开启下拉电阻，是否开启上拉电阻，使用那种中断模式等进行配置：

void LED_Init(void)
{
    gpio_config_t io_conf;// 配置GPIO引脚
   
    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_1); // 设置要配置的引脚
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT;// 输入 + 输出模式
    io_conf.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;// 禁用下拉电阻
    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;// 禁用上拉电阻
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;// 中断模式不使用   

    // 配置GPIO
    gpio_config(&io_conf);

    gpio_set_level(GPIO_NUM_1, 1); // 设置GPIO0为高电平  
}

这里对于模式的配置，开始的时候只配置成输出模式（GPIO_MODE_OUTPUT），但是在后来使用的时候发下无法进行电平翻转，后来找了一下原因，发现因为我们通过 gpio_get_level() 函数读取当前电平的状态，进行电平翻转，因此需要GPIO口支持输入模式，所以这里配置为输入+输出模式：

 gpio_set_level(GPIO_NUM_1, !gpio_get_level(GPIO_NUM_1));

另一种解决方法是在纯输出模式下，通过一个变量用来存储状态，通过翻转变量进行翻转电平：

    static bool led_state = false;
    led_state = !led_state;
    gpio_set_level(LED_GPIO, led_state);

4.2 KEY初始化配置

按键的初始化配置也是调用 gpio_config_t 对于其上参数进行一些配置，对于按键我们只需要输入模式，并且根据上方介绍我们要实现硬件消抖，需要加一个上拉电阻，并联一个100nF电容，因此这里我们启用上拉电阻，禁用下拉电阻，触发方式为下降沿触发：

    gpio_config_t io_config;// 配置GPIO引脚

    io_config.pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_21); // 设置要配置的引脚
    io_config.mode = GPIO_MODE_INPUT;// 设置为输入模式
    io_config.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;// 禁用下拉电阻
    io_config.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;// 启用上拉
    io_config.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;// 下降沿触发  
    
    gpio_config(&io_config);// 配置GPIO

4.3 中断触发配置

4.3.1 触发方式

首先是中断的触发方式，其实这个函数和上面下降沿触发有些重复了，两者都是配置触发方式，把这个注释掉对函数没有影响，这里介绍一下其使用：

gpio_set_intr_type(GPIO_NUM_21,GPIO_INTR_NEGEDGE);

我们跳转到其定义，可以看到其作用就是判断我们是否在中断类型是否在有效范围内，若是不在则返回错误类型，若是在，则进入临界区域，配置触发方式，清除标志位：

esp_err_t gpio_set_intr_type(gpio_num_t gpio_num, gpio_int_type_t intr_type)
{
    GPIO_CHECK(GPIO_IS_VALID_GPIO(gpio_num), "GPIO number error", ESP_ERR_INVALID_ARG);
    GPIO_CHECK(intr_type < GPIO_INTR_MAX, "GPIO interrupt type error", ESP_ERR_INVALID_ARG);

    portENTER_CRITICAL(&gpio_context.gpio_spinlock);
    gpio_hal_set_intr_type(gpio_context.gpio_hal, gpio_num, intr_type);
    if (intr_type == GPIO_INTR_POSEDGE || intr_type == GPIO_INTR_NEGEDGE || intr_type == GPIO_INTR_ANYEDGE) {
        gpio_context.isr_clr_on_entry_mask |= (1ULL << (gpio_num));
    } else {
        gpio_context.isr_clr_on_entry_mask &= ~(1ULL << (gpio_num));
    }
    portEXIT_CRITICAL(&gpio_context.gpio_spinlock);
    return ESP_OK;
}

其一些触发方式：

typedef enum {
    GPIO_INTR_DISABLE = 0,     /*!< 禁用GPIO中断 */
    GPIO_INTR_POSEDGE = 1,     /*!< GPIO中断类型：上升沿触发 */
    GPIO_INTR_NEGEDGE = 2,     /*!< GPIO中断类型：下降沿触发 */
    GPIO_INTR_ANYEDGE = 3,     /*!< GPIO中断类型：双边沿触发（上升沿和下降沿都触发）*/
    GPIO_INTR_LOW_LEVEL = 4,   /*!< GPIO中断类型：低电平触发 */
    GPIO_INTR_HIGH_LEVEL = 5,  /*!< GPIO中断类型：高电平触发 */
    GPIO_INTR_MAX,             /*!< 中断类型最大值（用于参数校验）*/
} gpio_int_type_t;

4.3.2 中断服务函数

这里通过调用 gpio_install_isr_service() 函数，为后续的中断处理函数注册做准备，其内参数就是我们上面提到的几种优先级，这里我们使用边沿触发中断：

gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_EDGE);

注意该函数只需调用一次（全局初始化），后续所有 GPIO 中断共享此服务。也就是我们刚刚提到的共享中断，类似STM32的中断分组，全局就只能一个中断分组。

4.3.3 中断处理函数

我们触发中断后，需要处理中断，这里就翻转一下电平，因此创建一个中断处理函数：

static void button_isr_handler(void *arg)
{
    gpio_set_level(GPIO_NUM_1, !gpio_get_level(GPIO_NUM_1));   
}

通过调用 gpio_isr_handler_add 函数绑定中断处理函数：

 gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_21,button_isr_handler,NULL);

4.4 完整代码

综上我们的代码编写完成：

#include <stdio.h>
#include "driver/gpio.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#define configTICK_RATE_HZ 1000  // 例如，1kHz 的 tick 频率

static void button_isr_handler(void *arg)
{
    gpio_set_level(GPIO_NUM_1, !gpio_get_level(GPIO_NUM_1));   
}

void LED_Init(void)
{
    gpio_config_t io_conf;// 配置GPIO引脚
   
    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_1); // 设置要配置的引脚
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT;// 输入 + 输出模式
    io_conf.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;// 禁用下拉电阻
    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;// 禁用上拉电阻
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;// 中断模式不使用   

    // 配置GPIO
    gpio_config(&io_conf);

    gpio_set_level(GPIO_NUM_1, 1); // 设置GPIO0为高电平  
}

void Button_Init(void)
{
    gpio_config_t io_config;// 配置GPIO引脚

    io_config.pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_21); // 设置要配置的引脚
    io_config.mode = GPIO_MODE_INPUT;// 设置为输入模式
    io_config.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;// 禁用下拉电阻
    io_config.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;// 启用上拉
    io_config.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;// 下降沿触发  
    
    gpio_config(&io_config);// 配置GPIO

    gpio_set_intr_type(GPIO_NUM_21,GPIO_INTR_NEGEDGE);
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_EDGE);
    gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_21,button_isr_handler,NULL);
    
}

void app_main(void)
{
    LED_Init();
    Button_Init();

    while(1)
    {
        vTaskDelay(500/portTICK_PERIOD_MS); 
    }
}

我们来编译运行看一下，时间可能比较久等一下：

点击按键可以发现电平翻转，代码可以使用。

4.5 代码优化

我们在点击代码的时候会发现，随然我们加了硬件消抖但是还是会出现抖动现象，我们在加一个软件消抖，顺便优化一下代码，对于一个GPIO口增加一些宏定义，首先是宏定义方面，就是两个GPIO口改一下宏定义，方便调整，增加一个20系统节拍数的宏定义，用作后续消抖使用：

#define LED_GPIO_PIN                GPIO_NUM_1
#define BUTTON_GPIO_PIN             GPIO_NUM_21
#define DEBOUNCE_DELAY_MS           20    // 消抖延时

调用 xTaskGetTickCount() 函数统计当前系统节拍数，通过 last_isr_time 记录上一次中断发生的时间，二者相减大于20ms的，才会触发电平翻转，减少抖动：

static void button_isr_handler(void *arg)
{
    static uint32_t last_isr_time = 0;
    uint32_t now = xTaskGetTickCount();
    
    // 简单的消抖处理
    if ((now - last_isr_time) > pdMS_TO_TICKS(DEBOUNCE_DELAY_MS)) {
        gpio_set_level(LED_GPIO_PIN, !gpio_get_level(LED_GPIO_PIN));
        last_isr_time = now;
    }
}

完整代码：

#include <stdio.h>
#include "driver/gpio.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#define CONFIG_TICK_RATE_HZ         1000  // 1kHz tick frequency
#define LED_GPIO_PIN                GPIO_NUM_1
#define BUTTON_GPIO_PIN             GPIO_NUM_21
#define DEBOUNCE_DELAY_MS          20    // 消抖延时

static void button_isr_handler(void *arg)
{
    static uint32_t last_isr_time = 0;
    uint32_t now = xTaskGetTickCount();
    
    // 简单的消抖处理
    if ((now - last_isr_time) > pdMS_TO_TICKS(DEBOUNCE_DELAY_MS)) {
        gpio_set_level(LED_GPIO_PIN, !gpio_get_level(LED_GPIO_PIN));
        last_isr_time = now;
    }
}

void LED_Init(void)
{
    gpio_config_t io_conf;
    
    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << LED_GPIO_PIN);
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT;
    io_conf.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;
    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    
    gpio_config(&io_conf);
    gpio_set_level(LED_GPIO_PIN, 1); // 初始化为高电平
}

void Button_Init(void)
{
    gpio_config_t io_config;
    
    io_config.pin_bit_mask = (1ULL << BUTTON_GPIO_PIN);
    io_config.mode = GPIO_MODE_INPUT;
    io_config.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;
    io_config.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;
    io_config.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;
    
    gpio_config(&io_config);
    gpio_set_intr_type(BUTTON_GPIO_PIN, GPIO_INTR_NEGEDGE);
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_EDGE);
    gpio_isr_handler_add(BUTTON_GPIO_PIN, button_isr_handler, NULL);
}

void app_main(void)
{
    LED_Init();
    Button_Init();

    while(1) {
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS); 
    }
}

这里可以自行下载测试一下。