第七章 LED实验
本章将通过一个经典的点灯实验，带大家开启ESP32-S3 Arduino开发之旅。通过本章学习，我们将会学习到如何实现ESP32-S3的IO作为输出功能。
本章分为如下几个小节：
7.1 GPIO介绍
7.2 硬件设计
7.3 软件设计
7.4 下载验证
7.1 GPIO介绍
在前面的第四章中，有对ESP32-S3的IO进行说明。ESP32-S3芯片具有45个物理 GPIO 管脚（GPIO0 ~ GPIO21和GPIO26 ~ GPIO48）。对于ESP32-S3模组引出的IO会变得更少些，只有36个。每个管脚都可用作一个通用IO，或连接一个内部外设信号，可见ESP32-S3的管脚的强大。
“通用IO”，官方会称之为“GPIO”，英文详称为General-Purpose Input/output Port，通用输入/输出接口，当设置成输入模式可用于感知外界信号，设置成输出模式可用于控制外部设备。在开发中，我们经常会用到一些比较简单的外部模块：LED、按键等，使用它们其实很简单，只需要把它们跟芯片的GPIO连接，控制GPIO输出/读取高低电平即可。
当管脚作为一个内部外设信号去使用，这种情况可以称之为引脚复用，通常就是作为某个协议的引脚。
本章节就是介绍ESP32-S3管脚作为一个GPIO去点亮LED。
7.1.1 ESP32-S3的GPIO简介
ESP32-S3模组可作为GPIO的管脚情况如下图所示。
图7.1.1.1 ESP32-S3模组可做GPIO功能管脚图
GPIO口输出来的信号是数字信号。数字信号是以0，1表示的不连续信号，也就是以二进制形式表示的信号。在Arduino中数字信号用高低电平来表示，高电平为数字信号1，低电平为数字信号0。如下图所示：
图7.1.1.2数字信号
图中Arduino输出的低电平为0V，输出的高电平为当前Arduino的工作电压，对于ESP32-S3模组的工作电压为3.3V，则其高电平为3.3V。
7.1.2 GPIO函数介绍
本小节介绍到的函数可在以下文件中找到：
Arduino15\packages\esp32\hardware\esp32\2.0.11\cores\esp32\esp32-hal-gpio.c
当我们调用Arduino库的函数时，实际上调用的是arduino-esp32库里的函数。换句话来说，每个芯片的arduino库都会有相同的函数，当工程设定好开发板参数，就会调用该芯片的arduino库下的函数接口，如下图所示。
图7.1.2.1 不同芯片的Arduino库情况
Arduino库有pinMode函数，同样的，其他芯片Arduino库也会有该函数的存在。唯一不同的就是该函数的实现会因芯片不同而不同。
接下来，我们就介绍一下本章节所用到的GPIO函数。
第一个函数：pinMode函数，该函数功能是设置引脚的工作模式。在使用输入或输出功能前，需要先通过pinMode函数配置引脚的模式为输入模式或输出模式。
void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode);
参数pin为指定配置的引脚编号，比如要配置IO1，那么pin设置为1即可。
参数mode为指定的配置模式，如下表所示。
表7.1.2.1 引脚配置的模式
无返回值。
第二个函数：digitalWrite函数，该函数功能是向指定引脚输出高低电平数字信号。
void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t value);
参数pin为指定输出的引脚编号。
参数value为要指定的输出电平，使用HIGH指定输出高电平，使用LOW指定输出低电平。HIGH和LOW是Arduino核心库定义的关键字，分别代表1和0，目的就是方便阅读、提高编程效率。当代码中使用了HIGH和LOW，在编译时，会分别替换为1和0。所以有时候，我们直接用1和0而不用HIGH和LOW。
无返回值。
第三个函数：digitalRead函数，该函数的功能是从指定引脚读取外部输入的数字信号。
int digitalRead(uint8_t pin);
参数pin为指定读取状态的引脚编号。
返回值：当外部输入高电平时，返回值为1；当外部输入低电平时，返回值为0。
7.2 硬件设计
1. 例程功能
LED 灯：LED每过500ms一次交替闪烁，实现类似跑马灯的效果。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED-IO1
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。
图7.3.1 LED与ESP32-S3模组连接原理图
从上图可知，若IO1输出低电平时，则LED亮起，反之，熄灭。
7.3 软件设计
7.3.1 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：
图7.3.1.1 程序流程图
7.3.2 程序解析
1. led驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。LED驱动源码包括两个文件：led.cpp和led.h。
下面我们先解析led.h的程序，我们把它分两部分功能进行讲解。
由硬件设计小节，我们知道LED灯在硬件上连接到IO1，再结合Arduino库，我们做了下面的引脚定义。
/* 引脚定义 */ #define LED_PIN 1 /* 开发板上LED连接到GPIO1引脚 */
这样的好处是移植更加方便，函数命名更亲近实际的开发板。比如：当我们看到LED_PIN这个宏定义，我们就知道这是灯LED的端口号。大家后面学习时间长了就会慢慢熟悉这样的命名方式。
为了后续对LED灯进行便捷的操作，我们为LED灯操作函数做了下面的定义。
/* 宏函数定义 */ #define LED(x) digitalWrite(LED_PIN, x) #define LED_TOGGLE() digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN))
LED宏定义，控制LED亮灭。如果要设置LED0输出低电平，那么调用宏定义LED0(0)即可，如果要设置LED0输出高电平，调用宏定义LED0(1)即可。宏定义LED1(x)同理。
LED_TOGGLE宏定义，分别是控制LED的翻转。这里利用digitalWrite和digitalRead函数组合实现IO口输出电平取反操作。
下面我们再解析led.cpp的程序，这里只有一个函数led_init，这是LED灯的初始化函数，其定义如下：
/**
* @brief 初始化LED相关IO口
* @param 无
* @retval 无
*/
void led_init(void)
{
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); /* 设置led引脚为输出模式 */
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); /* 结合原理图设计,实物LED获得高电平会熄灭 */
}
LED灯的引脚设置为输出模式。最后关闭LED，防止没有操作灯就亮了。
2. 01_led.ino代码
在01_led.ino里面编写如下代码：
#include "led.h"
/**
* @brief 当程序开始执行时，将调用setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
* @param 无
* @retval 无
*/
void setup()
{
led_init(); /* LED初始化 */
}
/**
* @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
* @param 无
* @retval 无
*/
void loop()
{
LED(0);
/* 该宏函数在led.h有定义,等同于digitalWrite(LED, LOW),LED引脚输出接低电平,点亮 */
delay(500); /* 延时500毫秒 */
LED(1);
/* 该宏函数在led.h有定义,等同于digitalWrite(LED, HIGH),LED引脚输出接高电平,熄灭 */
delay(500); /* 延时500毫秒 */
/* 以上4行代码实现的效果也可以用以下两行代码实现
LED_TOGGLE(); // led状态翻转
delay(500); // 延时500毫秒
*/
}
在setup函数中，调用led_init函数对LED进行初始化。接下来，在loop函数中，提供了两种方法实现LED灯的闪烁效果，第一种：先调用LED(0)宏函数实现LED点亮，调用delay(500)实现500ms延时，这时候LED就相当于亮了500ms，然后调用LED(1)宏函数实现LED熄灭，调用delay(500)实现500ms延时，这时候就相当于LED熄灭500ms，循环这个过程。第二种：调用LED_TOGGLE()函数实现LED灯状态的变化并延时500ms，循环这个过程。
delay()为毫秒延时函数，在本程序用来控制开关LED的间隔时间。大家可以修改delay函数里面的参数，观察运行效果的变化。
可能很多小伙伴会提出疑问，这里怎么不是main函数，main函数是有的，但是其实已经隐藏起来了，对于Arduino这种代码架构，提供出setup函数和loop函数给用户使用。大家遵循Arduino规则去开发即可，有兴趣的也可以自己去搜索。
7.4 下载验证
下载完之后，可以看到 LED以每次500ms闪烁。