Arduino开发实例-Arduino中断详解

Arduino中断详解

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本文是关于Arduino中断的文章。中断是一种让Arduino在特定事件发生时执行特定代码的功能。中断可以让Arduino在后台执行一些重要的任务，也可以让Arduino在低功耗模式下被唤醒。中断的使用需要注意一些细节和注意事项，本文将介绍中断的基本概念、使用方法和示例。

1、什么是中断？

中断是一种让Arduino在特定事件发生时暂停当前的程序，跳转到另一个预定义的函数（称为中断服务程序或ISR），执行完该函数后再返回原来的程序继续执行的功能。这种功能可以让Arduino在不影响主程序的情况下，及时响应一些外部或内部的信号，比如按钮按下、传感器触发、定时器溢出等。

2、如何使用中断？

要使用中断，首先需要确定哪些引脚可以作为中断源，即哪些引脚可以检测到电平变化或边沿变化，并触发中断。不同型号的Arduino有不同数量和位置的中断源引脚，通常用INTx来表示，其中x是一个数字。例如，Arduino Uno有两个中断源引脚，分别是INT0（对应数字引脚2）和INT1（对应数字引脚3）。Arduino Mega有六个中断源引脚，分别是INT0（对应数字引脚2）、INT1（对应数字引脚3）、INT2（对应数字引脚21）、INT3（对应数字引脚20）、INT4（对应数字引脚19）和INT5（对应数字引脚18）。具体的中断源引脚可以参考各型号Arduino的官方文档或数据手册。

其次，需要确定中断触发模式，即当中断源引脚上出现什么样的电平变化或边沿变化时，才会触发中断。Arduino支持四种中断触发模式，分别是：

  • LOW：当中断源引脚上出现低电平时触发
  • CHANGE：当中断源引脚上出现任何电平变化时触发
  • RISING：当中断源引脚上出现上升沿（从低电平变为高电平）时触发
  • FALLING：当中断源引脚上出现下降沿（从高电平变为低电平）时触发

不同的应用场景可能需要不同的中断触发模式，例如，如果要检测一个按钮是否被按下，可以使用CHANGE模式；如果要检测一个传感器是否输出了高电平信号，可以使用RISING模式；如果要检测一个定时器是否溢出了，可以使用FALLING模式等。

再次，需要定义一个ISR函数，即当中断被触发时要执行的代码。ISR函数必须符合以下要求：

  • ISR函数必须没有参数和返回值
  • ISR函数必须尽可能简短和快速
  • ISR函数不能使用延时函数或者阻塞函数
  • ISR函数不能调用其他ISR函数或者被其他ISR函数调用
  • ISR函数不能使用浮点数或者字符串等复杂数据类型
  • ISR函数不能修改或者依赖于主程序中被修改的变量，除非该变量被声明为volatile

最后，需要在setup()函数中使用attachInterrupt()函数来注册ISR函数，并指定要监听的中断源和触发模式。attachInterrupt()函数有三个参数：

  • interrupt：要监听的中断源编号，可以直接用INTx表示，也可以用digitalPinToInterrupt(pin)函数将数字引脚转

  • 换成中断源编号。例如，如果要监听数字引脚2上的中断，可以用INT0或者digitalPinToInterrupt(2)表示。

    • mode：要监听的中断触发模式，可以用LOW、CHANGE、RISING或者FALLING表示。
    • ISR：要注册的ISR函数的名称，不需要加括号。例如，如果要监听数字引脚2上的中断，当该引脚上出现上升沿时，执行名为blink的ISR函数，可以在setup()函数中写如下代码：
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attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), blink, RISING);

或者

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attachInterrupt(INT0, blink, RISING);

其中，blink是一个自定义的ISR函数，可以在setup()函数之前或之后定义，例如：

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void blink() {
  digitalWrite(13, !digitalRead(13)); //切换数字引脚13上的LED状态
}

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注意，当使用attachInterrupt()函数注册ISR函数时，Arduino会自动将对应的中断源引脚设置为输入模式，并启用内部上拉电阻。如果不想使用内部上拉电阻，可以在setup()函数中使用pinMode()函数将中断源引脚设置为输入模式，并使用外部下拉电阻。

另外，如果不想再监听某个中断源引脚上的中断，可以在loop()函数中或者其他地方使用detachInterrupt()函数来取消注册ISR函数。detachInterrupt()函数只有一个参数：

+ interrupt：要取消监听的中断源编号，可以直接用INTx表示，也可以用digitalPinToInterrupt(pin)函数将数字引脚转换成中断源编号。例如，如果要取消监听数字引脚2上的中断，可以在loop()函数中或者其他地方写如下代码：

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detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2));

或者

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detachInterrupt(INT0);

3、中断的示例

下面给出一些使用中断的示例，以供参考。

3.1 ### 示例一：检测按钮按下

这个示例演示了如何使用中断来检测一个按钮是否被按下，并在串口监视器上打印出按下次数。假设按钮连接在数字引脚2和GND之间，当按钮按下时，数字引脚2会变为低电平。因此，我们可以使用CHANGE模式来监听数字引脚2上的电平变化，并在ISR函数中增加一个计数变量。代码如下：

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volatile int count = 0; //定义一个计数变量，并声明为volatile

void setup() {
  Serial.begin(9600); //初始化串口通信
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); //将数字引脚2设置为输入模式，并启用内部上拉电阻
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), buttonPressed, CHANGE); //注册ISR函数，并指定中断源和触发模式
}

void loop() {
  Serial.println(count); //在串口监视器上打印计数变量的值
  delay(1000); //延时1秒
}

void buttonPressed() {
  count++; //每次触发中断时，计数变量加一
}

运行这个程序后，在串口监视器上可以看到每次按下按钮时，计数变量的值会增加一。

3.2示例二：控制LED闪烁

这个示例演示了如何使用中断来控制一个LED的闪烁频率。假设LED连接在数字引脚13和GND之间，我们可以使用定时器溢出产生的中断来切换LED的状态。Arduino Uno有三个定时器（Timer0、Timer1和Timer2），每个定时器都有自己的寄存器和控制位。这里我们使用Timer1作为例子。Timer1是一个16位定时器，它有两个比较匹配寄存器（OCR1A和OCR1B），分别对应两个比这个示例演示了如何使用中断来控制一个LED的闪烁频率。假设LED连接在数字引脚13和GND之间，我们可以使用定时器溢出产生的中断来切换LED的状态。Arduino Uno有三个定时器（Timer0、Timer1和Timer2），每个定时器都有自己的寄存器和控制位。这里我们使用Timer1作为例子。Timer1是一个16位定时器，它有两个比较匹配寄存器（OCR1A和OCR1B），分别对应两个比较匹配中断（TIMER1_COMPA_vect和TIMER1_COMPB_vect）。我们可以通过设置这些寄存器和控制位，来调节定时器的工作模式、预分频系数、比较匹配值等，从而改变中断的触发频率。代码如下：

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volatile bool ledState = false; //定义一个LED状态变量，并声明为volatile

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT); //将数字引脚13设置为输出模式
  noInterrupts(); //关闭全局中断，以便设置定时器
  TCCR1A = 0; //将定时器1的控制寄存器A清零
  TCCR1B = 0; //将定时器1的控制寄存器B清零
  TCNT1 = 0; //将定时器1的计数寄存器清零
  OCR1A = 31250; //将定时器1的比较匹配寄存器A设置为31250，即每秒触发一次中断
  TCCR1B |= (1 << WGM12); //将定时器1的工作模式设置为CTC（Clear Timer on Compare match）
  TCCR1B |= (1 << CS12); //将定时器1的预分频系数设置为256
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); //开启定时器1的比较匹配中断A
  interrupts(); //开启全局中断
}

void loop() {
  //主程序不需要做任何事情，只需等待中断触发
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) { //定义ISR函数，当定时器1的比较匹配中断A触发时执行
  ledState = !ledState; //切换LED状态变量的值
  digitalWrite(13, ledState); //根据LED状态变量的值，控制数字引脚13上的LED状态
}

运行这个程序后，可以看到数字引脚13上的LED每秒闪烁一次。如果想要改变闪烁频率，可以修改OCR1A的值，或者修改TCCR1B中的预分频系数。例如，如果想要让LED每半秒闪烁一次，可以将OCR1A设置为15625；如果想要让LED每两秒闪烁一次，可以将TCCR1B中的预分频系数设置为1024（即将CS12和CS10都置为1）。具体的计算方法可以参考Arduino官方文档或数据手册。

3.3示例三：测量脉冲宽度

这个示例演示了如何使用中断来测量一个脉冲信号的宽度。假设脉冲信号输入到数字引脚2上，我们可以使用RISING和FALLING模式来监听该引脚上的边沿变化，并在ISR函数中记录时间戳。代码如下：

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volatile unsigned long startTime = 0; //定义一个开始时间变量，并声明为volatile
volatile unsigned long endTime = 0; //定义一个结束时间变量，并声明为volatile
volatile unsigned long pulseWidth = 0; //定义一个脉冲宽度变量，并声明为volatile

void setup() {
  Serial.begin(9600); //初始化串口通信
  pinMode(2, INPUT); //将数字引脚2设置为输入模式 
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), pulseDetected, CHANGE); //注册ISR函数，并指定中断源和触发模式 
}

void loop() { 
    Serial.println(pulseWidth); //在串口监视器上打印脉冲宽度变量的值 
    delay(1000); //延时1秒
}

void pulseDetected() { 
    if (digitalRead(2) == HIGH) { //如果数字引脚2上出现上升沿 
        startTime = micros(); //记录开始时间戳，单位为微秒 
    } else { //如果数字引脚2上出现下降沿
        endTime = micros(); //记录结束时间戳，单位为微秒 
        pulseWidth = endTime - startTime; //计算脉冲宽度，单位为微秒 
    } 
}

运行这个程序后，在串口监视器上可以看到每秒打印出一次脉冲宽度的值，单位为微秒。如果想要改变测量的精度，可以修改delay()函数的参数，或者使用其他的时间函数，比如millis()或者micros()。具体的使用方法可以参考Arduino官方文档或数据手册。

4、中断的注意事项

使用中断时，需要注意以下几点：

  • 中断是一种高优先级的功能，当中断被触发时，Arduino会暂停当前的程序，跳转到ISR函数，并在执行完ISR函数后再返回原来的程序继续执行。这意味着，在ISR函数执行期间，主程序和其他中断都会被阻塞，无法响应其他事件。因此，ISR函数必须尽可能简短和快速，避免使用延时函数或者阻塞函数，以免影响主程序和其他中断的正常运行。
  • 中断是一种不可预知的功能，当中断被触发时，Arduino会立即跳转到ISR函数，并在执行完ISR函数后再返回原来的程序继续执行。这意味着，在ISR函数执行期间，主程序中被修改的变量可能会出现不一致或者错误的情况。例如，如果主程序中有一个变量a，在某一时刻被赋值为10，在下一时刻被赋值为20，在这两个时刻之间，如果发生了中断，并且ISR函数中也使用了变量a，那么变量a的值可能会出现混乱。因此，ISR函数不能修改或者依赖于主程序中被修改的变量，除非该变量被声明为volatile。volatile是一种修饰符，它可以告诉编译器不要对该变量进行优化或者缓存，而是每次都从内存中读取或者写入该变量的值。这样可以保证该变量在主程序和ISR函数之间保持一致。
  • 中断是一种有限制的功能，并不是所有的引脚都可以作为中断源，也不是所有的事件都可以作为中断触发模式。不同型号的Arduino有不同数量和位置的中断源引脚，通常用INTx来表示，其中x是一个数字。Arduino支持四种中断触发模式，分别是LOW、CHANGE、RISING和FALLING。具体的中断源引脚和触发模式可以参考各型号Arduino的官方文档或数据手册。

5、总结

本文介绍了中断的基本概念、使用方法和示例。中断是一种让Arduino在特定事件发生时执行特定代码的功能。中断可以让Arduino在后台执行一些重要的任务，也可以让Arduino在低功耗模式下被唤醒。中断的使用需要注意一些细节和注意事项，以保证

文章来源: https://iotsmart.blog.csdn.net/article/details/131268764