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Arduino 并发控制

在Arduino编程中，并发控制是指在同一时间内处理多个任务的能力。由于Arduino是单线程的微控制器，它无法像现代计算机那样真正同时执行多个任务。然而，通过一些技巧和编程方法，我们可以模拟并发执行的效果，从而实现多任务处理。

什么是并发控制？​

并发控制是一种编程技术，允许程序在同一时间内处理多个任务。虽然Arduino的CPU一次只能执行一条指令，但通过快速切换任务，我们可以让多个任务看起来像是同时运行的。这种技术通常用于需要同时监控多个传感器或执行多个操作的场景。

为什么需要并发控制？​

在许多Arduino项目中，你可能需要同时执行多个任务。例如：

  • 读取多个传感器的数据
  • 控制多个执行器（如电机、LED灯等）
  • 处理用户输入（如按钮、旋钮等）

如果没有并发控制，这些任务可能会相互干扰，导致程序响应缓慢或无法正常工作。

实现并发控制的方法​

在Arduino中，实现并发控制的常见方法包括：

  1. 使用millis()函数进行非阻塞延迟
  2. 使用状态机
  3. 使用定时器中断

1. 使用millis()函数进行非阻塞延迟​

millis()函数返回自Arduino启动以来的毫秒数。通过比较当前时间与上一次任务执行的时间，我们可以实现非阻塞延迟，从而避免使用delay()函数导致的程序阻塞。

cpp
unsigned long previousMillis = 0;
const long interval = 1000;  // 1秒

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
    previousMillis = currentMillis;
    // 执行任务
  }
}

在这个例子中，任务每隔1秒执行一次，而不会阻塞其他代码的执行。

2. 使用状态机​

状态机是一种编程模式，允许程序在不同的状态之间切换。通过将任务分解为多个状态，我们可以实现并发控制。

cpp
enum State { STATE_1, STATE_2 };
State currentState = STATE_1;

void loop() {
  switch (currentState) {
    case STATE_1:
      // 执行状态1的任务
      currentState = STATE_2;
      break;
    case STATE_2:
      // 执行状态2的任务
      currentState = STATE_1;
      break;
  }
}

在这个例子中，程序在两个状态之间切换，每个状态执行不同的任务。

3. 使用定时器中断​

Arduino的定时器中断允许我们在特定的时间间隔内执行代码。通过配置定时器中断，我们可以实现精确的并发控制。

cpp
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

void setup() {
  // 配置定时器1
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10);
  OCR1A = 15624;  // 1秒
  TIMSK1 = (1 << OCIE1A);

  sei();  // 启用全局中断
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  // 执行定时器中断任务
}

void loop() {
  // 主循环中的其他任务
}

在这个例子中，定时器1每隔1秒触发一次中断，执行中断服务程序（ISR）中的任务。

实际案例：多任务LED控制​

假设我们需要同时控制两个LED灯，一个每隔1秒闪烁一次，另一个每隔500毫秒闪烁一次。我们可以使用millis()函数实现这一功能。

cpp
unsigned long previousMillis1 = 0;
unsigned long previousMillis2 = 0;
const long interval1 = 1000;  // 1秒
const long interval2 = 500;   // 500毫秒

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(2, OUTPUT);
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousMillis1 >= interval1) {
    previousMillis1 = currentMillis;
    digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
  }

  if (currentMillis - previousMillis2 >= interval2) {
    previousMillis2 = currentMillis;
    digitalWrite(2, !digitalRead(2));
  }
}

在这个例子中，两个LED灯分别以不同的频率闪烁，而不会相互干扰。

总结​

通过使用millis()函数、状态机和定时器中断，我们可以在Arduino中实现并发控制，从而处理多个任务。这些技术可以帮助你编写更高效、更灵活的程序，适用于各种复杂的项目。

附加资源与练习​

  • 练习1：尝试使用状态机实现一个简单的交通灯控制系统，控制红、黄、绿三个LED灯的切换。
  • 练习2：使用定时器中断实现一个精确的秒表功能，每隔100毫秒更新一次显示。
提示

如果你对并发控制有更深入的需求，可以进一步学习RTOS（实时操作系统）在Arduino中的应用，它提供了更强大的多任务处理能力。