ESP32-S3 入门学习笔记（四）：LED实验

ESP32-S3 入门学习笔记（四）：LED实验

开发板：正点原子ESP32S3

B站学习链接：link

1. GPIO&LED 简介

1.1 GPIO 简介

GPIO 是负责控制或采集外部器件信息的外设，主要负责输入输出功能。以下是ATK-MWS3S 模组的 GPIO 分布图。

从上面的图示中可见，黄色区域的管脚均可作为普通的 IO 端口使用。因此，在控制 LED灯时，我们可以自由选择任意一个管脚进行操作。但请注意，部分 IO 端口可能与 Flash 或PSRAM 等元件的管脚相关联，这就需要开发者在操作过程中参考相关技术手册，以避免潜在的问题。在正点原子ESP32S3 开发板中，模组的 IO1 被用来连接 LED 的负极，因此在本章的实验中，我们将主要对 IO1 进行操作。

1.2 LED 简介

LED，即发光二极管，其发光原理基于半导体的特性。在半导体中，有两类重要的载流子：电子，主要存在于 n 型半导体中；而空穴，则主要存在于 p型半导体中。当 n 型半导体与 p型半导体材料接触时，它们的交界处会形成一个特殊的层结。当对这个层结施加适当的电压时，层结中的空穴与电子会发生重组，并释放出能量。这些能量会以光子的形式被释放出来，从而产生可见光。这就是 LED 发光的基本原理。

1.2.1 LED 灯驱动原理

LED 驱动是指通过稳定的电源为 LED 提供适宜的电流和电压，确保其正常发光。 LED 驱动方式主要有恒流和恒压两种，其中，恒流驱动因其能限定电流而备受青睐。由于 LED 灯对电流变化极为敏感，一旦电流超过其额定值，可能导致损坏。因此，恒流驱动通过确保电流的稳定性，进而保障 LED 的安全运行。

1.2.2 LED 灯驱动方式

下面，我们来看一下 LED 两种驱动方式。

1） 灌入电流接法。指的是 LED 的供电电流是由外部提供电流，将电流灌入我们的 MCU；风险是当外部电源出现变化时，会导致 MCU 的引脚烧坏。其接法如下图所示。

（2） 输出电流接法。指的是由 MCU 提供电压电流，将电流输出给 LED；如果使用 MCU的 GPIO 直接驱动 LED，则驱动能力较弱，可能无法提供足够的电流驱动 LED。其接法如下图所示。

正点原子ESP32S3 开发板上的 LED 采用灌入电流接法，这种方式避免了 MCU 直接提供电压电流来驱动 LED，从而有效减轻了 MCU 的负载。这使得 MCU 能够更加专注于执行其他核心任务，进而提升了整体系统的性能和稳定性。

2. 硬件设计

2.1 例程功能

实验现象： LED 灯以 500ms 的频率交替闪烁。

2.2 硬件资源

1.LED：LED-IO1

2.3 原理图

本章用到的硬件有 LED 灯。电路在开发板上已经连接好，所以在硬件上不需要动任何东西，直接下载代码就可以测试使用。其连接原理图如下图所示：

从上图可知，若 IO1 输出低电平时，则 LED 亮起，反之，熄灭。

3. 程序设计

3.1 程序流程图

程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

3.2 GPIO 函数解析

ESP-IDF 提供了丰富的 GPIO 操作函数，开发者可以在 esp-idf-v5.3.1\components\driver\gpio路径下找到相关的 gpio.c 和 gpio.h 文件。在 gpio.h 头文件中，你可以找到 ESP32-S3 的所有 GPIO 函数定义。接下来，作者将介绍一些常用的 GPIO 函数，这些函数的描述及其作用如下：

1. GPIO 配置函数
   该函数用来配置 GPIO 的模式、上下拉等功能，其函数原型如下所示：

   esp_err_t gpio_config(const gpio_config_t *pGPIOConfig)

该函数的形参描述如下表所示：

返回值： ESP_OK 表示配置成功， ESP_FAIL 表示配置失败。

pGPIOConfig 为 GPIO 配置结构体指针，下面来看一下 gpio_config_t 结构体中的变量。

/* GPIO 配置参数 */
typedef struct {
uint64_t pin_bit_mask; /* 配置引脚位 */
gpio_mode_t mode; /* 设置引脚模式 */
gpio_pullup_t pull_up_en; /* 设置上拉 */
gpio_pulldown_t pull_down_en; /* 设置下拉 */
gpio_int_type_t intr_type; /* 中断配置 */
} gpio_config_t;

关于各个参数有哪一些看下表说明：

在上表中，可填参数均可在 gpio_types.h 文件中找到。这些参数通常是通过枚举类型（enum）定义的，它们为特定的 GPIO 模式或配置提供了预定义的数值。当我们需要为结构体变量（如 gpio_mode_t）设置参数时，我们可以查阅 gpio_types.h 文件，找到对应的枚举类型，并从中选择适当的数值。这样，我们可以确保为GPIO接口设置的模式或配置是准确和有效的。

2. 设置管脚输出电平

该函数用于配置某个管脚输出电平，该函数原型如下所示：

esp_err_t gpio_set_level(gpio_num_t gpio_num, uint32_t level);

该函数的形参描述如下表所示：

返回值： ESP_OK 表示设置成功， ESP_FAIL 表示设置失败。

3. 获取管脚电平

该函数用于获取某个管脚的电平，该函数原型如下所示：

esp_err_t gpio_get_level(gpio_num_t gpio_num);

该函数的形参描述如下表所示：

返回值： ESP_OK 表示获取成功， ESP_FAIL 表示获取失败。

上述函数，便是本实验所需的核心 GPIO 函数。

3.3 LED 驱动解析

在项目\components路径下新增一个 LED文件夹，用于存放 led.c 和 led.h 这两个文件。其中 led.h 文件负责声明 LED 相关的函数和变量，而 led.c文件则实现 LED 的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。正点原子官方代码运行时存在问题，于是重写了相关代码，运行测试后没有问题

1. led.h 文件

   #ifndef _LED_H
   #define _LED_H

   #include "driver/gpio.h"

   /* 引脚定义 /
   #define LED_GPIO_PIN GPIO_NUM_1 / LED 连接的 GPIO 端口 /
   / 引脚的输出的电平状态 */
   enum GPIO_OUTPUT_STATE
   {
   PIN_RESET,
   PIN_SET
   };

   /* 函数声明*/
   void led_init(void); /* 初始化 LED */
   void led(int stat);
   void led_toggle(void);

   #endif

2. led.c 文件

   #include "led.h"

   /**

   • @brief 初始化 LED
   • @param 无
   • @retval 无
     /
     void led_init(void)
     {
     gpio_config_t gpio_init_struct = {0};
     gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE; / 失能引脚中断 /
     gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT; / 输入输出模式 /
     gpio_init_struct.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE; / 使能上拉 /
     gpio_init_struct.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE; / 失能下拉 /
     gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull << LED_GPIO_PIN; / 设置的引脚的位掩码*/
     gpio_config(&gpio_init_struct); /* 配置 GPIO */
     led(1);
     }

   void led(int stat){
   gpio_set_level(LED_GPIO_PIN, stat);
   }

   void led_toggle(){
   gpio_set_level(LED_GPIO_PIN, !(gpio_get_level(LED_GPIO_PIN)));
   }

在.c 文件中，首先对 gpio_init_struct 结构体变量进行了参数配置。接着，调用gpio_config 函数，利用该配置变量完成了 GPIO 的初始化工作。

3.4 CMakeLists.txt 文件

具体原理请参考博文：link

/component/LED下的CMakeLists.txt 文件

idf_component_register(SRCS "led.c" 
                    INCLUDE_DIRS "."
                    REQUIRES "driver")

整个项目下的CMakeLists.txt 文件

cmake_minimum_required(VERSION 3.16)

include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
set(EXTRA_COMPONENT_DIRS "./component")      //加入组件
project(project-name)

3.5 实验应用代码

打开 main/main.c 文件，该文件定义了工程入口函数，名为 app_main。该函数代码如下。

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "led.h"

/**
* @brief 程序入口
* @param 无
* @retval 无
*/
void app_main(void)
{

    esp_err_t ret;

    ret = nvs_flash_init(); /* 初始化 NVS */
    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES
        || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    } 
    led_init(); /* 初始化 LED */

    while(1)
    {
        led_toggle();
        vTaskDelay(500); /* 延时 500ms */
    }

}

上述应用代码中，首先通过调用 nvs_flash_init 函数来初始化 NVS。若初始化时遇到没有足够空闲页面或检测到新版本的情况，代码会先擦除整个 NVS 分区，并随后重新进行初始化。这种处理方式旨在确保 NVS 在特定错误条件下能够被重置并重新使用。紧接着，代码调用led_init 函数来初始化 LED。在随后的 while 循环中，利用 led_toggle()来定期翻转LED 的电平状态，每次翻转间隔为 500 毫秒，从而实现了 LED 的闪烁效果。

4. 下载验证

下载完之后，可以看到 LED 以每次 500ms 闪烁。