STM32中断实战：用外部中断对光耦遮挡次数进行计数

一、引言

你是否遇到过以下问题？

• 辛苦编写的STM32电机速度监测代码，数据接收总是丢包？
• 明明设定了相同的电机转速，两轮机器人却无法直线行驶？

本文将基于实际项目经验，手把手教你：

1. 精准定位电机速度监测和串口通信丢包的根本原因
2. 掌握STM32中断外设配置，实现电机速度的精确测量
3. 获取现成可用的代码模板与调试工具清单

💡为什么需要关注中断？

• 中断机制是计算机系统的核心功能之一，在硬件与操作系统的协同工作中起着关键作用。
• 中断机制采用事件驱动的异步处理方式，实现了资源高效利用、实时响应、系统稳定性等重要目标。如果没有中断机制，计算机就只能按顺序执行任务，效率低下，无法满足复杂应用的需求。

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二、中断机制

2.1 什么是中断？

中断是指在主程序运行过程中，当出现特定的触发条件（即中断源）时，CPU 暂停当前执行的程序，转而执行中断程序。处理完中断程序后，CPU 返回原来被暂停的位置继续运行。

image.png

例如，外部中断可由引脚电平变化触发，定时器中断由定时时间到达触发，串口通信中断则在接收数据时触发。这些中断事件通常较为紧急，如不及时处理，可能导致数据丢失或系统错误。使用中断系统能显著提高程序效率，避免主程序不断查询事件。

2.2 中断优先级

当多个中断源同时请求中断时，CPU 会根据轻重缓急进行裁决，优先处理更紧急的中断源，这就是中断优先级的作用。开发者可根据程序设计需求设置中断优先级。STM32 提供多种优先级分类方式，通过合理设置，可确保紧急事件优先处理，避免被其他中断延误。

📖 NVIC（嵌套向量中断控制器）统一管理 STM32 的中断，并为每个中断通道分配优先级。每个通道具有 16 个可编程优先等级，还可通过分组设置抢占优先级和响应优先级，为开发者提供灵活的优先级配置方式。

1. 分组原理：STM32的NVIC通过分组机制实现细致的中断优先级管理。优先级寄存器使用4位二进制数（0-15），表示16个优先级等级，数值越小优先级越高。这4位可分为高n位的抢占优先级和低(4-n)位的响应优先级。
2. 分组方式与优先级规则：系统提供5种分组方式（0-4）。分组0设置0位抢占优先级（固定为0）和4位响应优先级（0-15）；分组1设置1位抢占优先级（0-1）和3位响应优先级（0-7），依此类推。高抢占优先级的中断可以嵌套执行，高响应优先级的中断在等待时优先处理。当两种优先级相同时，按中断号排序，较小的优先响应。开发者应根据应用需求选择合适的分组方式，并确保优先级设置在有效范围内。

2.3 中断嵌套

中断嵌套指一个中断程序运行时，如有更高优先级的中断请求，CPU 会暂停当前中断程序，转而处理新的中断。完成后，再依次返回并继续执行原中断程序。

image.png

⚠️中断嵌套旨在及时处理紧急中断，其发生条件取决于中断优先级——仅当新中断优先级更高时才会发生嵌套。

2.4 STM32中断分类

STM32 的中断资源包括内核中断和外设中断。

内核中断包括复位中断、NMI不可屏蔽中断等，主要涉及系统底层操作。虽然较难理解，但在一般应用中使用较少。

外设中断则包含各类外设产生的中断，如窗口看门狗用于监测程序运行状态，在程序卡死未及时喂狗时申请中断；PVD电源电压监测在供电不足时产生中断，提醒保存重要数据。本节重点学习的外部中断也属于外设中断的一种。

三、外部中断（EXTI）

3.1 外部中断基本介绍

• 外部中断基础功能

EXTI（ External Interrupt，外部中断 ）主要用于监测指定 GPIO 口的电平变化。当指定的 GPIO 口产生电平变化时，EXTI 会立即向 NVIC 发出中断申请，经 NVIC 裁决后，中断 CPU，使主程序执行 EXTI 对应的中断程序，从而实现对外部事件的及时响应。

• 多样的触发方式

EXTI 支持多种触发方式，包括上升沿触发（即电平从低电平变为高电平的瞬间触发中断）、下降沿触发（高电平变为低电平的瞬间触发）、双边沿触发（上升沿和下降沿都能触发中断）以及软件触发（通过程序代码执行即可触发中断，即使引脚电平未发生变化）。

• GPIO 口支持与限制

EXTI 支持所有的 GPIO 口作为外部中断引脚，但需要注意的是，相同编号的引脚（如 PA0 和 PB0、PA1 和 PB1 等）不能同时用于触发中断。若有多个中断引脚需求，应选择不同编号的引脚，如 PA6 和 PA7、PA9 和 PB15、PB0 和 PB1 等组合。

• 中断通道分配

外部中断共占用 20 个中断线路，其中 16 个与 GPIO 口对应（即 GPIO0 - GPIO15），另外还包括 PVD 输出、RTC 闹钟、USB 唤醒、以太网唤醒所占用的通道。这 16 个 GPIO 口对应的通道是外部中断的主要功能部分，而后面四个通道主要是借助外部中断的从低功耗模式唤醒功能，实现相应的特殊功能，如电源电压恢复时 PVD 借助外部中断退出停止模式，RTC 闹钟定时到达后唤醒系统等。

• 触发响应方式

外部中断的触发响应方式分为中断响应和事件响应。中断响应是常见的方式，即申请中断后，CPU 执行中断函数。而事件响应是 STM32 为外部中断增加的特殊功能，当外部中断检测到引脚电平变化时，可选择触发事件。此时，外部中断信号不会通向 CPU，而是通向其他外设，触发如 ADC 转换、DMA 等外设操作，实现外设之间的协同工作，提高系统的整体效率。

3.2 外部中断结构解析

1. 整体架构：外部中断的整体结构较为复杂，从左到右依次为 GPIO 口外设、AFIO 中断引脚选择电路模块、EXTI 边缘检测及控制电路，最后分为触发中断和触发事件两路输出。GPIO 口外设有多个，每个外设包含 16 个硬件引脚，这些引脚的信号首先进入 AFIO 选择电路。
2. AFIO 选择电路：AFIO 主要用于引脚复用功能的选择和定义，在外部中断中，它起到中断引脚选择的关键作用。由于 GPIO 口硬件引脚数量众多，而 EXTI 模块只有 16 个 GPIO 通道，AFIO 通过数据选择器，从多个 GPIO 口的 16 个硬件引脚中选择一个连接到 EXTI 通道，这就解释了为何相同编号的引脚不能同时触发中断。
3. EXTI 内部电路：经过 AFIO 选择后的 16 个通道信号与其他 4 个特殊功能信号（PVD 输出、RTC 闹钟、USB 唤醒、以太网唤醒）共同组成 EXTI 的 20 个输入信号，进入 EXTI 边缘检测及控制电路。该电路可选择上升沿、下降沿或双边沿触发，触发信号经过或门后兵分两路。一路用于触发中断，会先设置挂起寄存器，通过与中断屏蔽寄存器共同进入与门，决定是否向 NVIC 中断控制器发送中断信号；另一路用于触发事件，经过事件屏蔽寄存器控制后，通过脉冲发生器触发其他外设操作。

image.png

3.3 外部中断的配置

EXTI配置步骤：

1. 配置时钟
2. 配置GPIO为输入模式（推荐使用上拉/下拉/浮空输入）
3. 配置AFIO并选择中断引脚（需与GPIO端口对应）
4. 配置EXTI参数，包括触发方式（上升沿、下降沿或双边沿）和中断总线
5. 配置NVIC优先级并使能中断
6. 向中断函数中添加中断执行程序；

image.png

代码示例：

// 中断配置
void CounterSensor_Init(void)
{
	// 开启中断相应的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // GPIO时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // AFIO时钟
	// 配置GPIO
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitSturcture; // 定义GPIO结构体
	GPIOInitSturcture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //上拉输入
	GPIOInitSturcture.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14; // 使用的GPIO端口
	GPIOInitSturcture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // GPIO通讯频率
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIOInitSturcture); // GPIO初始化
	// 配置AFIO，中断引脚选择
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);
	// 配置EXTI
	EXTI_InitTypeDef EXTIInitSturcture;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Line = EXTI_Line14;
	EXTIInitSturcture.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
	EXTI_Init(&EXTIInitSturcture);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	NVIC_InitTypeDef NVICInitSturcture;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVICInitSturcture);
	
}
// 中断函数
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) == SET)
	{
		
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14); //清除中断标志位
	}
}

⏰中断函数的编写

1. 清除中断标志：强调必须在ISR中清除标志位（如__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT()）。
2. 避免阻塞操作：禁止在ISR中使用HAL_Delay()或长时间循环。
3. 中断通信技巧：使用全局变量或信号量（如 FreeRTOS 的xSemaphoreGiveFromISR()）传递数据。
4. 避免和主函数操作同一硬件。

3.4 外部中断适用场景

📢 外部中断最适合处理外部驱动的快速突发信号。

以旋转编码器为例：当不旋转时，STM32无需处理；一旦旋转就会产生大量高速脉冲波形。如果STM32不能及时读取，就会错过关键信息。使用外部中断可以在脉冲到来时立即处理，而在无脉冲时让STM32执行其他任务。

另一个典型例子是红外遥控接收头，它接收到遥控数据后会输出瞬时波形，同样需要外部中断来快速捕获。不过，对于按键输入，虽然也属于外部驱动的突发事件，但不建议使用外部中断读取，因为外部中断难以处理按键抖动和松手检测。对于要求不高的按键处理，可以在主程序中循环读取；如果需要实现后台读取且不阻塞主程序，可以考虑使用定时器中断方式。

四、小试牛刀

🛠 实验环境

• 硬件：STM32F10C8T6开发板 + ST-LINK模块 + 对射式红外传感器 + OLED显示屏
• 软件：Keil5
• 依赖库：STM32标准库

5-1 对射式红外传感器计次.jpg

代码实现：

// 中断配置
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

uint16_t CounterSensor_count;

void CounterSensor_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitSturcture;
	GPIOInitSturcture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIOInitSturcture.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
	GPIOInitSturcture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIOInitSturcture);
	
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);
	
	EXTI_InitTypeDef EXTIInitSturcture;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Line = EXTI_Line14;
	EXTIInitSturcture.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTIInitSturcture.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
	EXTI_Init(&EXTIInitSturcture);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	NVIC_InitTypeDef NVICInitSturcture;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVICInitSturcture.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVICInitSturcture);
	
}

uint16_t CounterSensor_Count_GET(void)
{
	return CounterSensor_count;
}

void EXTI15_10_IRQHandler(void) //中断函数
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) == SET)
	{
		/*出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
		if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_14) == 0)
		{
			CounterSensor_count ++;
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);
	}
}

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "CounterSensor.h"

int main(void)
{

	OLED_Init();
	CounterSensor_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "Count:");
	
	while(1){
		OLED_ShowNum(1, 7, CounterSensor_Count_GET(), 5);
	}
}

📢 实验现象

下载程序后，每当红外传感器被遮挡一次，OLED显示屏上的"number"数值就会自动加1。程序通过红外传感器的状态变化触发外部中断，在中断函数中执行"number++"计数操作，并将结果实时显示在OLED上。