NodeMCU ESP8266 GPIO 和 PWM 学习

前言

入门任何一款 MCU，GPIO 是必须掌握的基础知识，虽然每款 MCU GPIO 的数量和能力各不一样，但是使用用法是基本一样的。本文将通过两个小实验去理解 GPIO 中的核心知识，通过 ESP8266 了解一下 GPIO 中的基本概念，从而更好的掌握 ESP8266 其他的功能。通用输入/输出 (GPIO) 是集成电路上的一个引脚功能，它既可以是输入引脚，也可以是输出引脚，这些功能均可以在编写程序时进行控制。

ESP8266 与 NodeMCU 管脚

ESP8266 管脚定义

ESP8266 共有16个通用 IO，管脚的位置和管脚的分别为：
**

其中，在四线 (QUAD) 模式 flash 下，有六个 IO 于 flash 通讯；在两线 (DUAL) 模式 flash 下，有四个 IO 于与 flash 通讯。

NodeMCU 管脚映射图

| Label | GPIO | Input | Output | Notes | | D0 | GPIO16 | no interrupt | no PWM or I2C support | HIGH at boot used to wake up from deep sleep | | —- | —- | —- | —- | —- | | D1 | GPIO5 | OK | OK | often used as SCL (I2C) | | D2 | GPIO4 | OK | OK | often used as SDA (I2C) | | D3 | GPIO0 | pulled up | OK | connected to FLASH button, boot fails if pulled LOW | | D4 | GPIO2 | pulled up | OK | HIGH at boot connected to on-board LED, boot fails if pulled LOW | | D5 | GPIO14 | OK | OK | SPI (SCLK) | | D6 | GPIO12 | OK | OK | SPI (MISO) | | D7 | GPIO13 | OK | OK | SPI (MOSI) | | D8 | GPIO15 | pulled to GND | OK | SPI (CS) Boot fails if pulled HIGH | | RX | GPIO3 | OK | RX pin | HIGH at boot | | TX | GPIO1 | TX pin | OK | HIGH at boot debug output at boot, boot fails if pulled LOW | | A0 | ADC0 | Analog Input | X | |

NodeMCU 开发板引脚的编号与 NodeMCU 的内部 GPIO 编号不是一个编号，例如板上的 D4 对应的是 ESP8266 的 GPIO 引脚 2，可以通过 GPIO_Pin_2 变量引用。
根据 ESP8266 的系统 (SoC) 设计，其内部包含了处理器芯片等组件，处理器大约有 16 条 GPIO 线路，其中一些 GPIO 规定默认用于与其他内部组件进行通信，比如与内部闪存的通信，GPIO6 至 GPIO11 通常连接到 ESP8266 板上的 Flash 芯片，不建议使用这些引脚，这样我们大约还有 11 个GPIO引脚可按常规 GPIO 进行使用，在这 11 个针脚中，又有 2 个针脚预留给串口 RX 和 TX。因此最后只剩下 9 个通用 I/O 引脚，即 D0 到 D8。

在实际使用中，从上图我们可以看到一些 GPIO 引脚同时兼备了其他功能，如 RX, TX, SD2, SD3，这些引脚大多不作为 GPIO 使用，因为它们可用于其他进程。极端情况下，可使用 SD3 (D12) 引脚，D12 引脚主要用于响应 GPIO/PWM/中断等功能。需要注意的是，D0|GPIO16 引脚只能作为 GPIO 读/写使用，不支持任何特殊功能。

点亮 NodeMCU 开发板上的 LED

GPIO2 引脚电路图

点亮开发板上的 LED 灯是嵌入式编程开发中的 “Hello, World”。NodeMCU ESP8266 开发板有两个 LED 灯，一个 LED 位于 ESP-12 模组的 PCB 上；一个 LED 位于 NodeMCU 的 PCB 上。

ESP-12 模组板载 LED 引脚对应 GPIO2/TXD1，电路图如下：

NodeMCU 板载 LED 引脚对应 GPIO16，电路图如下：

两个 LED 都在反向模式下工作，关于引脚电平-当引脚高时，LED是关闭的；当引脚低时，LED是亮的。GPIO 0-15 引脚都配有内置上拉电阻，可以通过 GPIO 配置使能上拉。

配置 GPIO2 引脚

GPIO 的初始化通过一个结构体来配置，如下：

typedef struct {
    uint16           GPIO_Pin;      /**< GPIO pin：配置某一号管脚 */
    GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;     /**< GPIO mode：设置输入输出模式 */
    GPIO_Pullup_IF   GPIO_Pullup;   /**< GPIO pullup：使能上拉 */
    GPIO_INT_TYPE    GPIO_IntrType; /**< GPIO interrupt type：是否使能中断，并配置中断模式 */
} GPIO_ConfigTypeDef;

中断模式配置结构体：

typedef enum {
    GPIO_PIN_INTR_DISABLE = 0,      /**< disable GPIO interrupt 失能中断 */
    GPIO_PIN_INTR_POSEDGE = 1,      /**< GPIO interrupt type : rising edge 上升沿触发 */
    GPIO_PIN_INTR_NEGEDGE = 2,      /**< GPIO interrupt type : falling edge 下降沿触发 */
    GPIO_PIN_INTR_ANYEDGE = 3,      /**< GPIO interrupt type : bothe rising and falling edge 双边沿触发 */
    GPIO_PIN_INTR_LOLEVEL = 4,      /**< GPIO interrupt type : low level 输入低电平触发 */
    GPIO_PIN_INTR_HILEVEL = 5       /**< GPIO interrupt type : high level 输入高电平触发 */
} GPIO_INT_TYPE;

输入输出模式配置结构体：

typedef enum {
    GPIO_Mode_Input = 0x0,          /**< GPIO mode : Input */
    GPIO_Mode_Out_OD,               /**< GPIO mode : Output_OD */
    GPIO_Mode_Output ,              /**< GPIO mode : Output */
    GPIO_Mode_Sigma_Delta ,         /**< GPIO mode : Sigma_Delta */
} GPIOMode_TypeDef;

下面我们以控制 GPIO2 连接的 LED 灯为例加以说明。设置 GPIO2 为不开启中端，输出端口并使能上拉：

#include "gpio.h"
void led_init(void){
    GPIO_ConfigTypeDef gpio_in_cfg;                       // 定义 GPIO 初始化结构体
    gpio_in_cfg.GPIO_IntrType = GPIO_PIN_INTR_DISABLE;    // 是否使能中断，并配置中断模式
    gpio_in_cfg.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Output;             // 设置 GPIO2 口为输出端口
    gpio_in_cfg.GPIO_Pullup = GPIO_PullUp_EN;             // 设置 GPIO2 口上拉有效
    gpio_in_cfg.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;                    // 使能 GPIO2 口
    gpio_config(&gpio_in_cfg);                            // GPIO 初始化
}
void user_init(void){
    led_init();
}

注：gpio.c 和 gpio.h 驱动文件可以 framework-esp8266-rtos-sdk 中拷贝。

GPIO2 LED 灯闪烁实例

1607851695610384.mp4
如果我们想实现 LED 闪烁的效果，我们可以定义一个任务来实现：

/**
 * 创建一个任务，参数分别为：
 * - pvTaskCode：任务函数
 * - pcName: 任务名称
 * - usStackDepth: 任务堆栈
 * - pvParameters: 任务函数的参数
 * - uxPriority: 任务优先级
 * - pvCreatedTask: 任务句柄
 */
xTaskCreate(led_toggle_task, "led_toggle_task", 256, NULL, 1, NULL);

任务函数实现：

void led_init(void){
    GPIO_ConfigTypeDef gpio_in_cfg;                       // 定义 GPIO 初始化结构体
    gpio_in_cfg.GPIO_IntrType = GPIO_PIN_INTR_DISABLE;    // 是否使能中断，并配置中断模式
    gpio_in_cfg.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Output;             // 设置 GPIO 口为输出端口 /
    gpio_in_cfg.GPIO_Pullup = GPIO_PullUp_EN;             // 设置 GPIO 口上拉有效
    gpio_in_cfg.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;                    // 使能 GPIO IO 口
    gpio_config(&gpio_in_cfg);                            // GPIO 初始化
}
void led_toggle(void){
    // 获取 GPIO2 管脚的电平状态
    uint32_t bit = GPIO_INPUT_GET(2);
    // 设置 GPIO2 管脚输出电平
    GPIO_OUTPUT(GPIO_Pin_2, bit^1);
    printf("led toggle \n");
}
void led_toggle_task(void *pvParameters){
    led_init();
    for( ;; ){
        led_toggle();
        // 延时 500 ms
        vTaskDelay(500 / portTICK_RATE_MS);
    }
    vTaskDelete(NULL);
}

制作 RGB 三色 LED 呼吸灯

电路连接图

我使用 RGB 三色 LED 灯分别连接 NodeMCU GPIO12、GPIO13、GPIO14、GND 四个引脚，连接图如下：

我们按照电路图接好电路会发现 RGB 三色灯均发亮了，这是因为 GPIO12、GPIO13、GPIO14 UBOOT电平默认是高电平。

PWM 实现呼吸灯

什么是呼吸灯？
呼吸灯最早是由苹果公司发明并应用于笔记本睡眠提示上，一经展出，立刻吸引众多科技厂商争相效仿。呼吸灯是指灯在微控器控制之下完成由暗到亮的逐渐变化，再由亮到暗的逐渐变化，亮暗的节奏感觉像是人在呼吸。
用微控器做呼吸灯是利用频率来控制呼吸灯的呼吸时间，用占空比来控制灯的亮度。也就是采用 PWM 的方式，在固定的频率下，采用占空比的方式来实现 LED 亮度的变化。占空比为 0，LED 灯不亮，占空比为 100%，则 LED 灯最亮。所以将占空比从 0 到 100%，再从 100% 到 0 不断变化，就可以实现 LED 灯实现特效呼吸。
什么是 PWM 控制信号？
PWM（pulse-width modulation）脉冲宽度调制，MCU（微控制器）通过对开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需的波形。当我们需要连续控制电压变化，实现呼吸灯或者电机转速的时候，就要用到PWM，如下图所示。

呼吸灯代码实现

PWM 驱动接⼝函数不能跟 hw_timer.c 的接⼝同时使⽤，因为它们共⽤了同⼀个硬件定时器。

#define PWM_0_OUT_IO_MUX PERIPHS_IO_MUX_MTDI_U
#define PWM_0_OUT_IO_NUM 12
#define PWM_0_OUT_IO_FUNC FUNC_GPIO12
#define PWM_1_OUT_IO_MUX PERIPHS_IO_MUX_MTCK_U
#define PWM_1_OUT_IO_NUM 13
#define PWM_1_OUT_IO_FUNC FUNC_GPIO13
#define PWM_2_OUT_IO_MUX PERIPHS_IO_MUX_MTMS_U
#define PWM_2_OUT_IO_NUM 14
#define PWM_2_OUT_IO_FUNC FUNC_GPIO14
LOCAL os_timer_t rgb_light_timer;
/** PWM占空比变量 */
LOCAL u8 set_duty = 0;
/** PWM占空比加减标志 */
LOCAL bool flag = true;
void ESP8266_PWM_RUN(void)
{
    if (flag)
    {
        if (++set_duty >= 100)
        {
            flag = false;
        }
    }
    else
    {
        if (--set_duty <= 0)
        {
            flag = true;
        }
    }
    /** 更新 PWM 通道的占空比 */
    pwm_set_duty(set_duty, 0);
    pwm_set_duty(set_duty, 1);
    pwm_set_duty(set_duty, 2);
    pwm_start();
}
void rgb_light_pwm_init(void)
{
    uint32 period = 1000;
    uint32 duty[3] = {0};
    uint32 io_info[3][3] = {
        {PWM_0_OUT_IO_MUX, PWM_0_OUT_IO_FUNC, PWM_0_OUT_IO_NUM}, // GPIO12
        {PWM_1_OUT_IO_MUX, PWM_1_OUT_IO_FUNC, PWM_1_OUT_IO_NUM}, // GPIO13
        {PWM_2_OUT_IO_MUX, PWM_2_OUT_IO_FUNC, PWM_2_OUT_IO_NUM}  // GPIO14
    };
    // 配置 PWM 的周期为 1000us，占空比为 0，PWM 通道数量为 3
    pwm_init(period, duty, 3, io_info);
    os_timer_disarm(&rgb_light_timer);
    os_timer_setfn(&rgb_light_timer, (os_timer_func_t *)(ESP8266_PWM_RUN), NULL);
    os_timer_arm(&rgb_light_timer, 20, true);
}

实现效果如下：
1607877484146039.mp4

参考

• ESP8266学习历程——GPIO配置
• Onboard LEDs? NodeMCU’s got two!
• ESP8266开发之旅 基础篇③ ESP8266与Arduino的开发说明
• 如何在ESP8266上实现变色呼吸灯效果？

写文章不容易，也许写这些代码就几分钟的事，写一篇大家好接受的文章或许需要几天的酝酿，如果文章对您有帮助请我喝杯咖啡吧！