Arduino - 中断

Arduino - 理解中断

在微控制器编程中，中断是一种信号，它会暂时暂停处理器当前的任务，以响应一个重要事件并执行一段特殊的代码。一旦特殊代码执行完毕，处理器会准确地从中断前的位置恢复其原始任务。

想象一下您正在读一本书（您的主 loop() 函数），然后门铃响了（中断事件）。您放上书签，去开门（中断服务程序），然后回到您的书，从书签所在的位置继续阅读。如果没有门铃，您就不得不每隔几秒钟停下来检查门，这效率很低。中断通过让事件通知您来解决这个问题。

为何使用中断？

中断的主要优势是响应性。微控制器可以执行长时间任务（例如管理显示屏或计算数据），同时仍能立即响应关键事件，例如：

• 用户按下按钮。
• 传感器数据到达。
• 旋转编码器的信号。
• 定时器达到特定值。

如果没有中断，您将不得不在主循环中不断轮询（检查）这些输入的状态，这可能会很慢，并且如果循环繁忙，则可能导致事件丢失。

Arduino 上的外部中断

本教程重点介绍外部中断，它由特定数字引脚上的电压变化触发。大多数 Arduino 开发板只有数量有限的专用中断引脚。

开发板	中断引脚
Arduino UNO, Nano, Mini	2, 3
Arduino Mega 2560	2, 3, 18, 19, 20, 21
Arduino MKR 和 Zero 系列	所有数字引脚都可使用。
树莓派 Pico (RP2040)	所有 GPIO 引脚都可使用。

配置中断

您可以使用 attachInterrupt() 函数配置中断。现代且推荐的语法是：

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode);

• digitalPinToInterrupt(pin)：一个有用的函数，它将开发板的数字引脚号（例如 2）转换为其特定的内部中断号。使用此函数可使您的代码在不同的 Arduino 开发板之间具有可移植性。

• ISR：特殊函数——中断服务程序——的名称，当中断被触发时将调用此函数。此函数不得接受任何参数，也不得返回任何值（void myISR()）。

• mode：定义何种信号变化触发中断：

• LOW：当引脚保持低电平时触发。（谨慎使用，因为它可能重复触发）。

• CHANGE：当引脚值改变时触发（从低电平到高电平或从高电平到低电平）。

• RISING：当引脚值从低电平变为高电平时触发。

• FALLING：当引脚值从高电平变为低电平时触发。这对于带上拉电阻的按钮按下非常常见。

中断服务程序（ISR）最佳实践

ISR 是特殊的，并有严格的规则：

• 保持它们简短快速。 ISR 应该只做所需的最少工作，例如设置一个标志或更新一个变量，然后退出。
• 将共享变量声明为 volatile。 如果一个变量在 ISR 和主循环中都被使用，您必须使用 volatile 关键字声明它（例如，volatile bool eventOccurred = false;）。这会告诉编译器变量的值可以随时改变，从而防止可能导致错误的优化。
• 避免使用 delay() 和 Serial 函数。 需要定时器（如 delay()）或其他中断（如 Serial.print()）的函数在 ISR 内部表现不可靠，应避免使用。请在主循环中进行打印和延迟操作。

示例：使用中断切换 LED

此草图演示了中断如何立即响应按钮按下以切换 LED，即使主循环因长时间延迟而“繁忙”时也能做到。

/*
  中断示例：响应式 LED 切换

  此草图演示了中断如何提供即时响应性。
  即使主循环被长时间延迟阻塞，按下引脚 2 上的按钮也会立即切换内置 LED。

  电路：
  - 一个按钮连接在引脚 2 和 GND 之间。
*/

// 引脚定义
const int interruptPin = 2;
const int ledPin = LED_BUILTIN;

// 此变量在 ISR 和主循环之间共享，因此必须是 volatile。
volatile bool ledState = LOW;

void setup() {
  // 将 LED 引脚设置为输出
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  // 将中断引脚设置为带上拉电阻的输入模式
  pinMode(interruptPin, INPUT_PULLUP);

  // 附加中断。
  // digitalPinToInterrupt() 使代码可移植。
  // 我们在下降沿（当按钮按下时）触发。
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), toggleLed, FALLING);

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("系统准备就绪。请按下按钮。");
}

void loop() {
  // 主循环可以执行其他任务。
  // 这里我们模拟一个长时间的阻塞任务。
  Serial.println("主循环正在忙碌...");
  delay(5000);
}

// --- 中断服务程序 (ISR) ---
// 当按钮按下时，此函数会自动被调用。
// 它必须简短、快速，并且是无参数的 void 返回类型。
void toggleLed() {
  // ISR 应该只做最少的工作。这里，我们只是翻转状态。
  ledState = !ledState;
  digitalWrite(ledPin, ledState);
}

常见错误和调试

• 忘记 volatile：如果您的共享变量没有正确更新，您很可能忘记将其声明为 volatile。
• 过长的 ISR：如果您的程序在中断触发时冻结或行为异常，您的 ISR 可能做了太多工作。将 Serial 调用、delay() 或复杂计算移到主 loop() 中，并且仅使用 ISR 来设置一个标志。
• 按钮抖动：机械按钮在按下时可能会发生物理“抖动”，在几微秒内产生多个高/低电平转换。这可能导致您的 ISR 在一次按压中多次触发。这称为“抖动”。解决方案包括在电路中添加一个小电容（硬件去抖）或添加逻辑来忽略快速触发（软件去抖）。