【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-C3 定时器

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

ESP32-C3是一款由乐鑫科技开发的物联网芯片，它具有以下主要特性：

搭载 RISC-V 32 位单核处理器，时钟频率高达 160 MHz，支持 2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5 (LE)。
内置 400 KB SRAM，384 KB ROM，支持最大 16 MB 的外置 Flash。
集成了天线开关、射频巴伦、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能，仅需要 20 余个外围元件。
具有 22 个可编程 GPIO 管脚，支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。
具有完善的安全机制，包括安全启动、Flash 加密、数字签名和 HMAC 外设、世界控制器模块等。
沿用乐鑫成熟的物联网开发框架 ESP-IDF，支持 Arduino 和 MicroPython 等开源平台。

MicroPython是一种适用于微控制器的Python编程语言，而ESP32-C3是一款基于RISC-V架构的低功耗Wi-Fi和蓝牙SoC。ESP32-C3内置了多个硬件定时器，可用于定时触发和处理各种任务。下面是对ESP32-C3定时器的主要特点、应用场景以及需要注意的事项的详细解释：

主要特点：

多个定时器：ESP32-C3芯片内置多个硬件定时器，通常包括基本定时器（如定时器0和定时器1）和高级定时器（如定时器2和定时器3）。用户可以根据需求选择和配置合适的定时器。

精确的定时功能：ESP32-C3定时器提供精确的定时功能，可以设置定时周期和定时触发事件。定时器可以以微秒级别的精度进行计时，并在达到指定时间时触发中断或执行特定的操作。

多种计数模式：ESP32-C3定时器支持多种计数模式，包括单次计数、重复计数和连续计数。用户可以根据需要选择适当的计数模式，以满足不同的应用需求。

中断和回调功能：定时器可以配置为在特定时间触发中断，并执行预定义的中断处理程序。此外，用户还可以使用回调函数来处理定时器事件，实现特定任务的触发和执行。

应用场景：

定时任务调度：ESP32-C3定时器可用于任务调度，例如周期性地执行特定的任务或在指定时间间隔内触发事件。这在实时控制系统、数据采集和传输、传感器数据处理等应用中非常有用。

脉冲宽度调制（PWM）：ESP32-C3定时器可以用于生成PWM信号，用于控制电机速度、LED亮度调节、音频合成等应用。通过调整定时器的周期和占空比，可以精确控制输出信号的特性。

输入捕获和计数：ESP32-C3定时器可以用于输入捕获和计数应用，例如测量外部事件的频率、脉冲宽度或计数器的值。这对于测量速度、脉冲计数和时间测量等应用非常有用。

定时触发和同步操作：ESP32-C3定时器可以用于定时触发特定操作或同步多个设备的操作。例如，可以使用定时器来触发数据采集、通信传输或外部设备的控制。

需要注意的事项：

定时器的选择和配置：ESP32-C3芯片上有多个定时器可供选择，用户应根据具体需求选择合适的定时器并进行正确的配置。不同的定时器具有不同的功能和资源限制，例如计数位数、中断优先级等。

中断处理和回调函数：在使用定时器时，需要正确设置中断处理和回调函数。中断处理程序应尽可能简洁，并避免长时间的阻塞操作。回调函数应在一定时间内完成，以避免影响定时器的准确性和性能。

定时器的资源共享：如果多个模块或任务需要使用定时器，请确保对定时器的资源共享进行适当的管理和调度。避免冲突和竞争条件，以确保定时器的正常工作和准确性。

精度和延迟：尽管ESP32-C3定时器具有较高精度，但仍然存在一定的误差和延迟。在实际应用中，特别是对于需要高精度的任务，需要考虑和处理这些误差和延迟。

资源消耗：定时器的使用会占用芯片的一些资源，例如计数器、中断和GPIO引脚。在设计和开发应用时，需要合理评估和管理这些资源的消耗，以确保系统的正常运行和性能。

总结：
ESP32-C3的定时器是一种强大而灵活的工具，适用于各种应用场景，包括任务调度、PWM生成、输入捕获和计数、定时触发等。通过合理选择和配置定时器，开发者可以实现精确的定时操作，并满足各种实时控制和数据处理需求。在使用定时器时，需要注意正确设置中断处理和回调函数，适当管理定时器资源共享，以及考虑精度和延迟等因素。

案例一：定时器中断

from machine import Timer
import time

def timer_callback(timer):
    print("Timer interrupt!")

# 创建一个定时器对象，设置回调函数为timer_callback，触发时间为1秒
timer = Timer(0)
timer.init(period=1000, mode=Timer.PERIODIC, callback=lambda t: timer_callback(t))

while True:
    time.sleep(1)

要点解读：这个程序创建了一个定时器对象，设置了回调函数为timer_callback，当定时器触发时，会打印"Timer interrupt!"。定时器的触发时间为1秒。程序会一直运行，直到手动停止。

案例二：定时器延时

from machine import Timer
import time

def delay_callback(timer):
    print("Delay finished!")

# 创建一个定时器对象，设置回调函数为delay_callback，触发时间为5秒
timer = Timer(1)
timer.init(period=5000, mode=Timer.ONE_SHOT, callback=lambda t: delay_callback(t))

while True:
    time.sleep(1)

要点解读：这个程序创建了一个定时器对象，设置了回调函数为delay_callback，当定时器触发时，会打印"Delay finished!"。定时器的触发时间为5秒。程序会一直运行，直到手动停止。

案例三：定时器PWM输出

from machine import Pin, PWM
import time

# 创建一个PWM对象，连接到ESP32-C3的GPIO25引脚
pwm = PWM(Pin(25), freq=5000)

def pwm_callback(timer):
    # 改变PWM占空比，实现闪烁效果
    if pwm.duty() == 0:
        pwm.duty(512)
    else:
        pwm.duty(0)

# 创建一个定时器对象，设置回调函数为pwm_callback，触发时间为1秒
timer = Timer(2)
timer.init(period=1000, mode=Timer.PERIODIC, callback=lambda t: pwm_callback(t))

while True:
    time.sleep(1)

要点解读：这个程序创建了一个PWM对象，并将其连接到ESP32-C3的GPIO25引脚。然后创建了一个定时器对象，设置了回调函数为pwm_callback，当定时器触发时，会改变PWM占空比，实现闪烁效果。定时器的触发时间为1秒。程序会一直运行，直到手动停止。

案例四：定时器中断
在此示例中，我们将设置一个定时器中断，每100毫秒唤醒一次。我们将使用这个功能来定期检查一些状态或者执行一些任务。

from machine import Timer  
import time  
  
def timer_callback():  
    print("Timer callback")  
  
timer = Timer(Timer.TIM5, freq=0.1, callback=timer_callback)  # 设置频率为0.1Hz（100毫秒）  
while True:  
    time.sleep(1)  # 主循环休眠1秒，以减少功耗

解读：在此程序中，我们首先导入了 Timer 类和 time 模块。然后，我们定义了一个名为 timer_callback 的回调函数，该函数将在每次定时器中断时被调用。然后，我们创建了一个定时器实例，设置其频率为 0.1Hz（即每100毫秒触发一次），并将 timer_callback 函数作为回调函数。最后，我们在一个无限循环中让主程序休眠1秒，以减少功耗。

案例五：使用定时器进行倒计时
在这个示例中，我们将设置一个定时器，每秒减少一次计数，当计数到0时，会打印一条消息。

from machine import Timer, time_pulse_us  
import time  
  
countdown = 10  # 设置倒计时秒数  
last_time = time_pulse_us()  # 获取当前时间戳（单位：微秒）  
  
def countdown_callback():  
    nonlocal countdown, last_time  
    now = time_pulse_us()  # 获取当前时间戳（单位：微秒）  
    elapsed = (now - last_time) / 1000000  # 将时间差转换为秒数  
    if elapsed >= 1:  # 如果已经过去了一秒  
        countdown -= 1  # 倒计时减1  
        last_time = now  # 更新最后的时间戳  
    if countdown <= 0:  # 如果倒计时结束  
        print("Countdown finished!")  
        timer.deinit()  # 停止定时器  
  
timer = Timer(Timer.TIM5, freq=1, callback=countdown_callback)  # 设置频率为1Hz（1秒）  
while True:  
    time.sleep(1)  # 主循环休眠1秒，以减少功耗

解读：在这个程序中，我们首先定义了一个倒计时变量 countdown 和一个用于记录最后时间戳的变量 last_time。然后，我们创建了一个名为 countdown_callback 的回调函数，该函数将在每次定时器中断时被调用。在这个函数中，我们首先获取当前的时间戳，然后计算自上次中断以来经过的时间（单位：秒）。如果已经过去了一秒，我们就将倒计时减1，并更新最后的时间戳。如果倒计时已经结束，我们就打印一条消息，并停止定时器。最后，我们在一个无限循环中让主程序休眠1秒，以减少功耗。

案例六：定时执行任务：

import machine
import time

def task():
    print("定时执行的任务")

# 创建定时器对象
timer = machine.Timer(-1)
# 设置定时器触发间隔为1秒
timer.init(period=1000, mode=machine.Timer.PERIODIC, callback=lambda t: task())

这个例子使用了ESP32-C3的定时器功能来定时执行任务。我们首先创建了一个定时器对象，并将其初始化为周期性触发模式（machine.Timer.PERIODIC）。在timer.init()函数中，我们设置了触发间隔为1秒（1000毫秒），并指定了回调函数task()。当定时器触发时，回调函数task()会被执行。

案例七：延时执行任务：

import machine
import time

def task():
    print("延时执行的任务")

# 创建定时器对象
timer = machine.Timer(-1)

# 延时3秒执行任务
timer.init(period=3000, mode=machine.Timer.ONE_SHOT, callback=lambda t: task())

这个例子使用定时器实现延时执行任务。我们创建了一个定时器对象，并将其初始化为单次触发模式（machine.Timer.ONE_SHOT）。在timer.init()函数中，我们设置了触发间隔为3秒（3000毫秒），并指定了回调函数task()。当定时器触发时，回调函数task()会被执行。

案例八：测量任务执行时间：

import machine
import time

start_time = None

def start_task():
    global start_time
    start_time = time.ticks_ms()

def end_task():
    global start_time
    end_time = time.ticks_ms()
    execution_time = end_time - start_time
    print("任务执行时间：{} 毫秒".format(execution_time))

# 创建定时器对象
timer = machine.Timer(-1)

# 模拟耗时任务
def task():
    time.sleep_ms(200)
    print("任务执行完成")

# 在每次任务开始和结束时记录时间
timer.init(period=1000, mode=machine.Timer.PERIODIC, callback=lambda t: start_task())
timer.init(period=1200, mode=machine.Timer.PERIODIC, callback=lambda t: end_task())

这个例子使用定时器来测量任务的执行时间。我们创建了一个定时器对象，并在每次任务开始和结束时记录时间。在start_task()函数中，我们使用time.ticks_ms()函数记录任务开始的时间戳。在end_task()函数中，我们再次调用time.ticks_ms()函数记录任务结束的时间戳，并计算出任务的执行时间。最后，我们打印出任务的执行时间。在定时器初始化中，我们使用两个不同的周期来触发start_task()和end_task()函数。这样可以在每次任务开始和结束时执行相应的操作，从而实现任务执行时间的测量。

案例九：定时执行任务

import machine
import utime

def task():
    print("Task executed")

timer = machine.Timer(0)
timer.init(period=5000, mode=machine.Timer.PERIODIC, callback=lambda t: task())

while True:
    utime.sleep(1)

要点解读：
代码使用machine.Timer创建一个定时器对象，这里使用定时器0。
timer.init()用于初始化定时器，设置定时器的周期为5000毫秒（5秒），模式为周期性触发。
callback参数是一个回调函数，在每个定时周期结束时执行。这里使用lambda函数将task()函数作为回调函数传递。
task()函数是一个示例任务，可以在此函数中编写需要定时执行的代码。
while True循环用于保持程序持续运行。

案例十：延时执行任务

import machine
import utime

def task():
    print("Task executed")

timer = machine.Timer(0)
timer.init(period=5000, mode=machine.Timer.ONE_SHOT, callback=lambda t: task())

while True:
    utime.sleep(1)

要点解读：
代码与前一个示例类似，但定时器的模式为machine.Timer.ONE_SHOT，表示只触发一次。
task()函数是一个示例任务，可以在此函数中编写需要延时执行的代码。
在本示例中，task()函数将在5秒后执行一次，然后程序将停止。

案例十一：计算定时器触发次数

import machine
import utime

counter = 0

def task(timer):
    global counter
    counter += 1
    print("Task executed:", counter, "times")

timer = machine.Timer(0)
timer.init(period=1000, mode=machine.Timer.PERIODIC, callback=lambda t: task(t))

while True:
    utime.sleep(1)

要点解读：
代码使用定时器0创建一个定时器对象，并设置定时器的周期为1000毫秒（1秒）。
counter是一个全局变量，用于记录定时器触发的次数。
task()函数是一个示例任务，每次定时器触发时，counter自增并输出触发次数。
在每个1秒周期内，定时器将触发一次任务，并更新触发次数。

这些示例代码展示了如何使用MicroPython的ESP32-C3定时器进行定时执行任务、延时执行任务和测量任务执行时间。定时器功能对于时间敏感的任务和事件调度非常有用。开发者可以根据具体的需求和时间间隔要求，调整和扩展这些代码，以满足自己的应用要求。

请注意，以上案例只是为了拓展思路，可能存在错误或不适用的情况。不同的硬件平台、使用场景和MicroPython版本可能会导致不同的使用方法。在实际编程中，您需要根据您的硬件配置和具体需求进行调整，并进行多次实际测试。需要正确连接硬件并了解所使用的传感器和设备的规范和特性非常重要。对于涉及到硬件操作的代码，请确保在使用之前充分了解和确认所使用的引脚和电平等参数的正确性和安全性。