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Arduino 中断输入

在Arduino编程中，中断输入是一种强大的功能，允许程序在特定事件发生时立即暂停当前任务，转而执行一个特定的函数（称为中断服务程序，ISR）。这种机制非常适合处理需要快速响应的外部事件，例如按钮按下、传感器触发等。

什么是中断？​

中断是一种硬件或软件触发的信号，用于通知处理器某个事件已经发生。当Arduino检测到中断信号时，它会暂停当前正在执行的代码，跳转到预先定义的中断服务程序（ISR），执行完ISR后再返回到原来的任务继续执行。

备注

中断的主要优势在于它能够实时响应外部事件，而不需要程序不断轮询（polling）输入状态，从而节省资源并提高效率。

Arduino 中的中断类型​

Arduino支持两种主要类型的中断：

  1. 外部中断：由外部引脚触发，例如按钮按下或传感器信号变化。
  2. 定时器中断：由内部定时器触发，用于定时任务。

本文将重点介绍外部中断。

如何使用Arduino中断输入​

1. 选择支持中断的引脚​

并非所有Arduino引脚都支持中断功能。以下是常见Arduino型号支持中断的引脚：

  • Arduino Uno/Nano：引脚2和3。
  • Arduino Mega：引脚2、3、18、19、20、21。
  • Arduino Leonardo：引脚3、2、0、1、7。
警告

不同型号的Arduino支持的中断引脚可能不同，请务必查阅相关文档。

2. 配置中断​

在Arduino中，可以使用 attachInterrupt() 函数来配置中断。该函数的语法如下：

cpp
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode);
  • pin：支持中断的引脚编号。
  • ISR：中断服务程序（Interrupt Service Routine），即中断触发时执行的函数。
  • mode：中断触发模式，可以是以下值之一：
    • LOW：引脚为低电平时触发。
    • CHANGE：引脚状态变化时触发。
    • RISING：引脚从低电平变为高电平时触发。
    • FALLING：引脚从高电平变为低电平时触发。

3. 编写中断服务程序（ISR）​

中断服务程序是一个没有参数和返回值的函数。在ISR中，应尽量保持代码简短，避免使用延迟函数（如 delay()）或复杂的计算，以确保快速响应。

以下是一个简单的示例，当引脚2的电平从高变低时，触发中断并点亮LED：

cpp
const int ledPin = 13;  // 内置LED引脚
const int interruptPin = 2;  // 中断引脚

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(interruptPin, INPUT_PULLUP);  // 使用内部上拉电阻
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), blinkLED, FALLING);
}

void loop() {
  // 主程序代码
}

void blinkLED() {
  digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));  // 切换LED状态
}

4. 中断的注意事项​

  • ISR应尽量简短：在ISR中执行过多操作可能导致程序响应变慢或丢失其他中断。
  • 避免使用延迟函数：如 delay() 或 millis()，因为它们依赖于中断机制。
  • 共享变量需声明为 volatile：如果ISR和主程序共享变量，需将该变量声明为 volatile，以确保编译器不会优化掉对该变量的访问。

例如：

cpp
volatile int buttonPressed = 0;

void setup() {
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), buttonISR, FALLING);
}

void loop() {
  if (buttonPressed) {
    // 处理按钮按下事件
    buttonPressed = 0;  // 重置标志
  }
}

void buttonISR() {
  buttonPressed = 1;  // 设置标志
}

实际应用案例​

案例1：按钮计数器​

以下示例使用中断实现一个按钮计数器，每次按下按钮时计数器加1，并通过串口输出计数值：

cpp
volatile int count = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), incrementCount, FALLING);
}

void loop() {
  Serial.println(count);
  delay(1000);  // 每秒输出一次计数值
}

void incrementCount() {
  count++;
}

案例2：旋转编码器​

旋转编码器是一种常见的输入设备，用于检测旋转方向和步数。通过中断可以实时捕捉编码器的信号变化：

cpp
volatile int encoderPos = 0;
const int pinA = 2;
const int pinB = 3;

void setup() {
  pinMode(pinA, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinB, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinA), updateEncoder, CHANGE);
}

void loop() {
  Serial.println(encoderPos);
}

void updateEncoder() {
  int stateA = digitalRead(pinA);
  int stateB = digitalRead(pinB);
  if (stateA == stateB) {
    encoderPos++;
  } else {
    encoderPos--;
  }
}

总结​

Arduino的中断输入功能为实时响应外部事件提供了强大的工具。通过合理使用中断，可以显著提高程序的效率和响应速度。以下是本文的关键点总结：

  1. 中断允许程序在特定事件发生时立即执行特定代码。
  2. 使用 attachInterrupt() 函数配置中断。
  3. 中断服务程序应尽量简短，避免使用延迟函数。
  4. 共享变量需声明为 volatile。

附加资源与练习​

  • 练习1：修改按钮计数器示例，使其在按下按钮时点亮LED，松开时熄灭。
  • 练习2：尝试使用旋转编码器控制LED的亮度（PWM输出）。
  • 参考文档：Arduino官方文档中的 attachInterrupt() 函数说明。

希望本文能帮助你掌握Arduino中断输入的基本概念和应用！如果有任何问题，欢迎在评论区留言讨论。