XIAO ESP32S3(Sense) 与 FreeRTOS
本维基涵盖了 FreeRTOS 对 Seeed Studio XIAO ESP32S3 的支持。通过本指南，您将能够利用该板所提供的功能集。
什么是 FreeRTOS
FreeRTOS 是一组 C 库，包含一个实时内核和一组实现互补功能的模块化库。FreeRTOS 内核是一个实时内核（或实时调度器），它使得基于 FreeRTOS 构建的应用程序能够满足硬实时要求。它使得应用程序能够组织成一组独立的执行线程。
参考资料 : Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel
FreeRTOS 移植
FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统（RTOS）内核，已作为组件集成到 ESP-IDF 中。因此，所有 ESP-IDF 应用程序和许多 ESP-IDF 组件都是基于 FreeRTOS 编写的。FreeRTOS 内核已经移植到 ESP 芯片的所有架构（即 Xtensa 和 RISC-V）上。
我们将使用 ESP IDF 版本的 FreeRTOS。
硬件准备
我使用的是 Seeed Studio XIAO ESP32S3 Sense，以及该板载的相机、麦克风、SD 卡读卡器和 ESP32S3 的 WiFi 功能。
| Seeed Studio XIAO ESP32S3(Sense) |
|---|
 |
其他组件
软件准备
我在 Windows 系统上使用 Visual Studio Code 和 ESP-IDF。
- VSCode 安装
- ESP-IDF 安装指南
- Git 仓库
| VS Code | 适用于 VSCode 的 ESP-IDF |
|---|---|
开始使用
设置 ESP-IDF
在设置 Visual Studio 扩展 后，打开终端并粘贴以下命令，以便从普通终端环境（外部的 VScode）访问 ESP-IDF 命令行工具。
note
VS-Code 的 ESP-IDF 扩展的正常安装将处理 90% 的使用案例，只有在需要在 VSCode 外部使用 ESP 命令行工具时，才需要执行以下步骤。
PowerShell（Windows）
.$HOME\esp\v5.3\esp-idf\export.ps1
info
“.$HOMEespv5.3esp-idf” 可能因用户而异。这是默认安装路径。 将它替换为设备上的安装路径。
tip
为避免重复设置，请在管理员模式下启动 PowerShell 并键入以下命令
notepad $PSHOME\Profile.ps1
将打开一个记事本实例。将 export shell 命令粘贴到记事本中并保存。打开 PowerShell 的一个实例，它应该具有接近以下输出。
Done! You can now compile ESP-IDF projects.
如果一切设置正确，执行以下命令：
idf.py
应该会显示如下输出：
Usage: idf.py [OPTIONS] COMMAND1 [ARGS]... [COMMAND2 [ARGS]...]...
ESP-IDF CLI build management tool. For commands that are not known to idf.py an attempt to execute it as a build
system target will be made. Selected target: None
什么是任务？
任务是处理器被要求执行的小功能/工作，带有一组设置。任务的类型可以从小的功能到无限循环的功能不等。
任务是 ESP-IDF 应用程序中的基本执行单元。它们本质上是与其他任务并发运行的功能。这使得高效的多任务处理和响应成为可能。
任务的属性是什么？
由于这个主题非常广泛，在此我将仅介绍一些我们在本指南中将使用的属性。
- TaskFunction：这是包含任务实际逻辑的函数。它是任务执行的入口点。
- StackSize：指定为任务的栈分配的内存量。栈用于存储局部变量、函数返回地址和临时数据。
- TaskPriority：决定任务相对于其他任务的重要性。优先级较高的任务更有可能先于优先级较低的任务执行。
- TaskParameters：这是在创建任务时可以传递给任务函数的可选参数。它们可以用于为任务提供额外的上下文或配置。
- CoreAffinity：指定任务应该分配到哪个 CPU 核心。在多核系统中，可以使用此属性来优化性能或平衡工作负载。
创建任务
要在 FreeRTOS 中创建任务，可以使用 xTaskCreate 函数。此函数需要多个参数，包括任务函数、任务名称、栈大小、参数、优先级和创建的任务句柄。
TaskHandle_t task;
xTaskCreate(
taskFunction, /* 实现任务的函数。 */
"taskName", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字或字节为单位）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task /* 用于传出创建任务的句柄。 */
);
创建并将任务绑定到一个核心
要创建任务并将其绑定到特定核心（仅当使用的芯片是双核时），可以使用 xTaskCreatePinnedToCore 函数。此函数与 xTaskCreate 类似，但增加了一个额外的参数，用于指定核心。
TaskHandle_t task;
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction, /* 实现任务的函数。 */
"taskName", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字或字节为单位）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task, /* 用于传出创建任务的句柄。 */
0); /* 核心 ID */
任务函数调用
任务函数是任务将要执行的实际代码。
void taskFunction(void * pvParameters) {
/*
函数定义在这里
*/
}
任务的可视化
我正在创建四个简单的任务来可视化 FreeRTOS 是如何工作的。
可视化表示
CPU0
-----
taskFunction1 (1000ms 延迟)
CPU1
-----
taskFunction2 (500ms 延迟)
taskFunction3 (500ms 延迟)
taskFunction4 (500ms 延迟)
代码
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "sdkconfig.h"
#include "esp_log.h"
TaskHandle_t task1, task2, task3, task4;
void taskFunction1(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task1", "来自任务 1 的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 添加延迟，避免输出过多
}
}
void taskFunction2(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task2", "来自任务 2 的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟，避免输出过多
}
}
void taskFunction3(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task3", "来自任务 3 的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟，避免输出过多
}
}
void taskFunction4(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task4", "来自任务 4 的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟，避免输出过多
}
}
void app_main(void) {
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction1, /* 实现任务的函数。 */
"task_1", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字为单位，而非字节）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task1, /* 用于传出创建任务的句柄。 */
0); /* 核心 ID */
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction2, /* 实现任务的函数。 */
"task_2", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字为单位，而非字节）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task2, /* 用于传出创建任务的句柄。 */
1); /* 核心 ID */
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction3, /* 实现任务的函数。 */
"task_3", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字为单位，而非字节）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task3, /* 用于传出创建任务的句柄。 */
1); /* 核心 ID */
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction4, /* 实现任务的函数。 */
"task_4", /* 任务的名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小（以字为单位，而非字节）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 任务创建时的优先级。 */
&task4, /* 用于传出创建任务的句柄。 */
1); /* 核心 ID */
}
tip
configMINIMAL_STACK_SIZE 可以在 sdkconfig 中更改。
- 四个任务：代码定义了四个任务：taskFunction1、taskFunction2、taskFunction3 和 taskFunction4。
- 任务优先级：所有任务都使用 tskIDLE_PRIORITY 创建。这意味着它们的优先级相同。
- 任务绑定：taskFunction1 被绑定到 CPU0，而其他三个任务被绑定到 CPU1。
- 任务延迟：taskFunction1 的延迟为 1000ms，而其他三个任务的延迟为 500ms。
创建 CPU0 和 CPU1 任务调度
我为 CPU0 和 CPU1 创建了一个基本的任务调度。
CPU0 任务调度
Task: taskFunction1
Priority: Idle (lowest)
Delay: 1000ms
Core: 0
CPU1 任务计划
Tasks: taskFunction2, taskFunction3, taskFunction4
Priorities: All Idle (same priority)
Delays: 500ms for all tasks
Core: 1
info
这是一个简化的时间表。实时系统中的实际任务调度将涉及更复杂的因素，例如任务优先级、截止日期和资源限制。
输出
I (11412) Task1: Hello from task 1
I (11522) Task3: Hello from task 3
I (11522) Task2: Hello from task 2
I (11532) Task4: Hello from task 4
I (12032) Task3: Hello from task 3
I (12032) Task2: Hello from task 2
I (12042) Task4: Hello from task 4
I (12422) Task1: Hello from task 1
I (12542) Task3: Hello from task 3
I (12542) Task2: Hello from task 2
I (12552) Task4: Hello from task 4
I (13052) Task3: Hello from task 3
I (13052) Task2: Hello from task 2
I (13062) Task4: Hello from task 4
I (13432) Task1: Hello from task 1
I (13562) Task3: Hello from task 3
I (13562) Task2: Hello from task 2
I (13572) Task4: Hello from task 4
I (14072) Task3: Hello from task 3
I (14072) Task2: Hello from task 2
I (14082) Task4: Hello from task 4
使用 FreeRTOS 进行传感器轮询
为此，我使用了一个模拟传感器 空气质量传感器 v1.3，以及 ESP_IDF_v5.3。
硬件设置
将 Xiao-S3 连接到 Grove 扩展板，并将 空气质量传感器 v1.3 连接到模拟接口。
软件设置
克隆 Git 仓库后，在 VSCode 中打开该文件夹。然后选择 视图 -> 命令面板 -> ESP-IDF: 添加 vscode 配置文件夹。
从底部面板选择正确的 COM 端口、芯片（ESP-S3），并进行构建、烧录和监视。
代码概述
此代码设计用于从传感器收集空气质量数据，处理原始数据以确定空气质量水平，并定期将结果打印到控制台。
主要组件：
- 传感器初始化：
air_quality_sensor_t air_quality_sensor;
void sensor_setup()
{
air_quality_sensor._io_num = ADC_CHANNEL_0;
air_quality_sensor._adc_num = ADC_UNIT_1;
printf("Starting Air Quality Sensor...\n");
if(!initialize_air_quality_sensor(&air_quality_sensor))
{
printf("Sensor ready.\n");
}
else{
printf("Sensor ERROR!\n");
}
}
sensor_setup() 函数配置传感器的 I/O 引脚和 ADC 单元。
它尝试通过 initialize_air_quality_sensor() 初始化传感器。
如果初始化成功，传感器就可以开始数据收集。
数据收集任务：
void poll_read_air_quality_sensor(void *pvParameters)
{
for (;;)
{
air_quality_sensor_slope(&air_quality_sensor);
vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
poll_read_air_quality_sensor() 任务用于持续从传感器读取原始数据。
它调用 air_quality_sensor_slope() 处理原始数据并计算斜率，斜率是空气质量的一个指标。
任务在读取下一个数据点之前会延迟 500 毫秒。
数据打印任务：
void print_read_air_quality_sensor(void *pvParameters)
{
for (;;)
{
char buf[40];
air_quality_error_to_message(air_quality_sensor._air_quality,buf);
printf("Time : %lu\tSlope : %d\tRaw Value : %d\n%s\n", (uint32_t)esp_timer_get_time() / 1000, air_quality_sensor._air_quality, air_quality_sensor._sensor_raw_value,buf);
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
- print_read_air_quality_sensor() 任务用于定期打印收集的数据和计算的空气质量。
- 它使用 air_quality_error_to_message() 获取当前时间、斜率、原始值和空气质量消息。
- 任务将数据以格式化的方式打印到控制台。
- 任务在打印下一个数据点之前会延迟 1000 毫秒。
void app_main(void)
{
sensor_setup();
xTaskCreatePinnedToCore(
poll_read_air_quality_sensor, /* 实现任务的函数。 */
"poll_read_air_quality_sensor", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2, /* 堆栈大小（单位：字），不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
NULL, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
0); /* 核心 ID */
xTaskCreatePinnedToCore(
print_read_air_quality_sensor, /* 实现任务的函数。 */
"print_read_air_quality_sensor", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2, /* 堆栈大小（单位：字），不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY + 1, /* 创建任务时的优先级。 */
NULL, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
0); /* 核心 ID */
}
输出
Time : 37207 Slope : 3 Raw Value : 273
Fresh air.
Time : 38217 Slope : 3 Raw Value : 269
Fresh air.
Time : 39227 Slope : 3 Raw Value : 274
Fresh air.
Time : 40237 Slope : 3 Raw Value : 251
Fresh air.
Time : 41247 Slope : 3 Raw Value : 276
Fresh air.
Time : 42257 Slope : 3 Raw Value : 250
Fresh air.
Time : 43267 Slope : 3 Raw Value : 236
Fresh air.
Time : 44277 Slope : 3 Raw Value : 253
Fresh air.
Time : 45287 Slope : 3 Raw Value : 245
Fresh air.
Time : 46297 Slope : 3 Raw Value : 249
Fresh air.
Time : 47307 Slope : 3 Raw Value : 244
Fresh air.
Time : 48317 Slope : 3 Raw Value : 235
Fresh air.
Time : 49327 Slope : 3 Raw Value : 239
Fresh air.
Time : 50337 Slope : 3 Raw Value : 233
Fresh air.
Time : 51347 Slope : 3 Raw Value : 235
Fresh air.
FreeRTOS 中的摄像头和 SdCard 使用
为此，我将 onBoard Camera 和 SdCard 与 ESP_IDF_v5.3 一起使用。
硬件设置
按照microSD卡指南和摄像头指南将摄像头和microSD卡扩展板连接到
- 格式化microSD卡（支持最大32Gb）
- 将microSD卡连接到扩展板
设置如下所示：
| 正面 | 背面 |
|---|---|
 |  |
软件设置
拉取git仓库后，在VSCode中打开该文件夹。进入视图->命令面板->ESP-IDF: 添加vscode配置文件夹。 在底部面板中选择正确的COM端口、芯片（ESP-S3），然后进行构建、闪存和监控。
摄像头组件
- 摄像头配置：
- 定义了用于各种摄像头功能的GPIO引脚（PWDN、RESET、XCLK、SIOD、SIOC、Y9-Y2、VSYNC、HREF、PCLK、LED）。
- 设置摄像头参数的默认值（例如，时钟频率、帧缓冲区位置、像素格式、帧大小、JPEG质量、帧缓冲区计数、抓取模式）。
#ifndef CAMERA_CONFIG_H
#define CAMERA_CONFIG_H
#define PWDN_GPIO_NUM -1
#define RESET_GPIO_NUM -1
#define XCLK_GPIO_NUM 10
#define SIOD_GPIO_NUM 40
#define SIOC_GPIO_NUM 39
#define Y9_GPIO_NUM 48
#define Y8_GPIO_NUM 11
#define Y7_GPIO_NUM 12
#define Y6_GPIO_NUM 14
#define Y5_GPIO_NUM 16
#define Y4_GPIO_NUM 18
#define Y3_GPIO_NUM 17
#define Y2_GPIO_NUM 15
#define VSYNC_GPIO_NUM 38
#define HREF_GPIO_NUM 47
#define PCLK_GPIO_NUM 13
#define LED_GPIO_NUM 21
#endif //CAMERA_CONFIG_H
摄像头接口： 声明了函数initialize_camera()和createCameraTask()。
摄像头实现：
- 使用定义的配置初始化摄像头。
void initialize_camera(void)
{
camera_config_t camera_config = {
.pin_pwdn = PWDN_GPIO_NUM,
.pin_reset = RESET_GPIO_NUM,
.pin_xclk = XCLK_GPIO_NUM,
.pin_sccb_sda = SIOD_GPIO_NUM,
.pin_sccb_scl = SIOC_GPIO_NUM,
.pin_d7 = Y9_GPIO_NUM,
.pin_d6 = Y8_GPIO_NUM,
.pin_d5 = Y7_GPIO_NUM,
.pin_d4 = Y6_GPIO_NUM,
.pin_d3 = Y5_GPIO_NUM,
.pin_d2 = Y4_GPIO_NUM,
.pin_d1 = Y3_GPIO_NUM,
.pin_d0 = Y2_GPIO_NUM,
.pin_vsync = VSYNC_GPIO_NUM,
.pin_href = HREF_GPIO_NUM,
.pin_pclk = PCLK_GPIO_NUM,
.xclk_freq_hz = 20000000, // 图像传感器的时钟频率
.fb_location = CAMERA_FB_IN_PSRAM, // 设置帧缓冲区存储位置
.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG, // 图像的像素格式：PIXFORMAT_ + YUV422|GRAYSCALE|RGB565|JPEG
.frame_size = FRAMESIZE_UXGA, // 图像的分辨率大小：FRAMESIZE_ + QVGA|CIF|VGA|SVGA|XGA|SXGA|UXGA
.jpeg_quality = 15, // JPEG图像的质量，范围从0到63。
.fb_count = 2, // 使用的帧缓冲区数量。
.grab_mode = CAMERA_GRAB_LATEST // 图像捕获模式。
};
esp_err_t ret = esp_camera_init(&camera_config);
if (ret == ESP_OK)
{
ESP_LOGI(cameraTag, "摄像头配置成功");
}
else
{
ESP_LOGI(cameraTag, "摄像头配置失败");
return;
}
}- 设置摄像头参数（亮度、对比度、饱和度、特效、白平衡、曝光控制、AEC、AE级别、AEC值、增益控制、AGC增益、增益上限、BPC、WPC、原始GMA、LENC、水平镜像、垂直翻转、DCW、色条）。
sensor_t *s = esp_camera_sensor_get();
s->set_brightness(s, 0); // -2 到 2
s->set_contrast(s, 0); // -2 到 2
s->set_saturation(s, 0); // -2 到 2
s->set_special_effect(s, 0); // 0 到 6 (0 - 无效果, 1 - 负片, 2 - 灰度, 3 - 红色调, 4 - 绿色调, 5 - 蓝色调, 6 - 怀旧)
s->set_whitebal(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_awb_gain(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_wb_mode(s, 0); // 0 到 4 - 如果启用了 awb_gain (0 - 自动, 1 - 阳光, 2 - 阴天, 3 - 办公室, 4 - 家庭)
s->set_exposure_ctrl(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_aec2(s, 0); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_ae_level(s, 0); // -2 到 2
s->set_aec_value(s, 300); // 0 到 1200
s->set_gain_ctrl(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_agc_gain(s, 0); // 0 到 30
s->set_gainceiling(s, (gainceiling_t)0); // 0 到 6
s->set_bpc(s, 0); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_wpc(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_raw_gma(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_lenc(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_hmirror(s, 0); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_vflip(s, 0); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_dcw(s, 1); // 0 = 禁用 , 1 = 启用
s->set_colorbar(s, 0); // 0 = 禁用 , 1 = 启用- 定义一个函数 takePicture（） 来捕获图像并将其保存到 SD 卡。
void takePicture()
{
ESP_LOGI(cameraTag, "Taking picture...");
camera_fb_t *pic = esp_camera_fb_get();
if (pic)
{
saveJpegToSdcard(pic);
}
ESP_LOGI(cameraTag, "Picture taken! Its size was: %zu bytes", pic->len);
esp_camera_fb_return(pic);
}- 创建一个任务 cameraTakePicture_5_sec（） 以每 5 秒连续拍摄一次照片。
void cameraTakePicture_5_sec(void *pvParameters)
{
for (;;)
{
takePicture();
vTaskDelay(5000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
void createCameraTask()
{
TaskHandle_t task;
xTaskCreate(
cameraTakePicture_5_sec, /* 实现任务的函数。 */
"cameraTakePicture_5_sec", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE * 4, /* 堆栈大小（以字为单位，或字节）。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
&task /* 用于传出创建的任务句柄。 */
);
}
代码结构：
- 头文件（camera_config.h, camera_interface.h）和实现文件（camera_interface.c）。
- camera_config.h 文件定义了相机配置参数。
- camera_interface.h 文件声明了相机初始化和任务创建的函数。
- camera_interface.c 文件实现了相机初始化、拍照和任务创建的逻辑。
SD卡组件
- SD卡配置：
定义了用于SD卡接口的GPIO引脚（MISO、MOSI、CLK、CS）。
#ifndef SDCARD_CONFIG_H
#define SDCARD_CONFIG_H
#define PIN_NUM_MISO GPIO_NUM_8
#define PIN_NUM_MOSI GPIO_NUM_9
#define PIN_NUM_CLK GPIO_NUM_7
#define PIN_NUM_CS GPIO_NUM_21
#endif //SDCARD_CONFIG_H
- SD 卡接口： 声明函数 initialize_sdcard（）、deinitialize_sdcard（） 和 saveJpegToSdcard（）。
#ifndef SDCARD_INTERFACE_H
#define SDCARD_INTERFACE_H
#include "esp_camera.h"
void initialize_sdcard(void);
void deinitialize_sdcard();
void saveJpegToSdcard(camera_fb_t *);
#endif //SDCARD_INTERFACE_H
SD卡实现：
- 使用定义的配置初始化SD卡，并将SD卡挂载为FAT文件系统。
sdmmc_card_t *card;
sdmmc_host_t host = SDSPI_HOST_DEFAULT();
const char mount_point[] = "/sd";
void initialize_sdcard()
{
esp_err_t ret;
// 如果format_if_mount_failed设置为true，则在挂载失败时会对SD卡进行分区和格式化。
esp_vfs_fat_sdmmc_mount_config_t mount_config = {
#ifdef FORMAT_IF_MOUNT_FAILED
.format_if_mount_failed = true,
#else
.format_if_mount_failed = false,
#endif // EXAMPLE_FORMAT_IF_MOUNT_FAILED
.max_files = 5,
.allocation_unit_size = 32 * 1024};
ESP_LOGI(sdcardTag, "正在初始化SD卡");
// 使用上述设置初始化SD卡并挂载FAT文件系统。
// 注意：esp_vfs_fat_sdmmc/sdspi_mount是一个一体化的便利函数。
// 在开发生产应用时，请查看其源代码并实现错误恢复。
ESP_LOGI(sdcardTag, "使用SPI外设");
// 默认情况下，SD卡频率初始化为SDMMC_FREQ_DEFAULT（20MHz）
// 如果需要设置特定频率，请使用host.max_freq_khz（SDSPI范围为400kHz - 20MHz）
spi_bus_config_t bus_cfg = {
.mosi_io_num = PIN_NUM_MOSI,
.miso_io_num = PIN_NUM_MISO,
.sclk_io_num = PIN_NUM_CLK,
.quadwp_io_num = -1,
.quadhd_io_num = -1,
.max_transfer_sz = host.max_freq_khz,
};
ret = spi_bus_initialize(host.slot, &bus_cfg, SDSPI_DEFAULT_DMA);
if (ret != ESP_OK)
{
ESP_LOGE(sdcardTag, "初始化总线失败。");
return;
}
// 这会初始化没有卡检测（CD）和写保护（WP）信号的插槽。
// 如果你的板子有这些信号，请修改slot_config.gpio_cd和slot_config.gpio_wp。
sdspi_device_config_t slot_config = SDSPI_DEVICE_CONFIG_DEFAULT();
slot_config.gpio_cs = PIN_NUM_CS;
slot_config.host_id = host.slot;
ESP_LOGI(sdcardTag, "挂载文件系统");
ret = esp_vfs_fat_sdspi_mount(mount_point, &host, &slot_config, &mount_config, &card);
if (ret != ESP_OK)
{
if (ret == ESP_FAIL)
{
ESP_LOGE(sdcardTag, "挂载文件系统失败。"
"如果你希望卡片被格式化，请在sdcard_config.h中设置FORMAT_IF_MOUNT_FAILED");
}
else
{
ESP_LOGE(sdcardTag, "初始化卡片失败 (%s)。"
"确保SD卡线路上有上拉电阻。",
esp_err_to_name(ret));
}
return;
}
ESP_LOGI(sdcardTag, "文件系统已挂载");
// 卡片已初始化，打印其属性
sdmmc_card_print_info(stdout, card);
// 格式化FATFS
#ifdef FORMAT_SD_CARD
ret = esp_vfs_fat_sdcard_format(mount_point, card);
if (ret != ESP_OK)
{
ESP_LOGE(sdcardTag, "格式化FATFS失败 (%s)", esp_err_to_name(ret));
return;
}
if (stat(file_foo, &st) == 0)
{
ESP_LOGI(sdcardTag, "文件仍然存在");
return;
}
else
{
ESP_LOGI(sdcardTag, "文件不存在，格式化完成");
}
#endif // CONFIG_EXAMPLE_FORMAT_SD_CARD
}
- 提供将JPEG图像保存到SD卡的功能。
uint16_t lastKnownFile = 0;
void saveJpegToSdcard(camera_fb_t *captureImage)
{
// 找到下一个可用的文件名
char filename[32];
sprintf(filename, "%s/%u_img.jpg", mount_point, lastKnownFile++);
// 创建文件并写入JPEG数据
FILE *fp = fopen(filename, "wb");
if (fp != NULL)
{
fwrite(captureImage->buf, 1, captureImage->len, fp);
fclose(fp);
ESP_LOGI(sdcardTag, "JPEG已保存为 %s", filename);
}
else
{
ESP_LOGE(sdcardTag, "创建文件失败: %s", filename);
}
}
组件结构：
- 头文件 (sdcard_config.h, sdcard_interface.h) 和实现文件 (sdcard_interface.c)。
- sdcard_config.h 文件定义了SD卡的配置参数。
- sdcard_interface.h 文件声明了SD卡初始化、反初始化和图像保存的函数。
- sdcard_interface.c 文件实现了SD卡的初始化、反初始化和图像保存逻辑。
主函数
// main.c
#include <stdio.h>
#include "camera_interface.h"
#include "sdcard_interface.h"
void initialize_drivers()
{
initialize_sdcard();
initialize_camera();
}
void start_tasks()
{
createCameraTask();
}
void app_main(void)
{
initialize_drivers();
start_tasks();
}
- 包含摄像头和SD卡接口所需的头文件。
- 使用提供的函数初始化SD卡和摄像头。
- 启动摄像头任务，持续拍照。
输出
UART输出
I (1119) main_task: Calling app_main()
I (1123) sdcard: Initializing SD card
I (1127) sdcard: Using SPI peripheral
I (1132) sdcard: Mounting filesystem
I (1137) gpio: GPIO[21]| InputEn: 0| OutputEn: 1| OpenDrain: 0| Pullup: 0| Pulldown: 0| Intr:0
I (1146) sdspi_transaction: cmd=52, R1 response: command not supported
I (1195) sdspi_transaction: cmd=5, R1 response: command not supported
I (1219) sdcard: Filesystem mounted
Name: SD32G
Type: SDHC/SDXC
Speed: 20.00 MHz (limit: 20.00 MHz)
Size: 30448MB
CSD: ver=2, sector_size=512, capacity=62357504 read_bl_len=9
SSR: bus_width=1
I (1226) s3 ll_cam: DMA Channel=1
I (1230) cam_hal: cam init ok
I (1234) sccb: pin_sda 40 pin_scl 39
I (1238) sccb: sccb_i2c_port=1
I (1252) camera: Detected camera at address=0x30
I (1255) camera: Detected OV2640 camera
I (1255) camera: Camera PID=0x26 VER=0x42 MIDL=0x7f MIDH=0xa2
I (1344) cam_hal: buffer_size: 16384, half_buffer_size: 1024, node_buffer_size: 1024, node_cnt: 16, total_cnt: 375
I (1344) cam_hal: Allocating 384000 Byte frame buffer in PSRAM
I (1351) cam_hal: Allocating 384000 Byte frame buffer in PSRAM
I (1357) cam_hal: cam config ok
I (1361) ov2640: Set PLL: clk_2x: 0, clk_div: 0, pclk_auto: 0, pclk_div: 12
I (1453) camera: Camera configured successful
I (1487) main_task: Returned from app_main()
I (1487) camera: Taking picture...
I (1997) sdcard: JPEG saved as /sd/0_img.jpg
I (1997) camera: Picture taken! Its size was: 45764 bytes
I (6997) camera: Taking picture...
I (7348) sdcard: JPEG saved as /sd/1_img.jpg
I (7349) camera: Picture taken! Its size was: 51710 bytes
I (12349) camera: Taking picture...
I (12704) sdcard: JPEG saved as /sd/2_img.jpg
I (12705) camera: Picture taken! Its size was: 51853 bytes
I (17706) camera: Taking picture...
I (18054) sdcard: JPEG saved as /sd/3_img.jpg
I (18055) camera: Picture taken! Its size was: 51919 bytes
I (23055) camera: Taking picture...
I (23414) sdcard: JPEG saved as /sd/4_img.jpg
I (23414) camera: Picture taken! Its size was: 51809 bytes
I (28415) camera: Taking picture...
I (28768) sdcard: JPEG saved as /sd/5_img.jpg
I (28768) camera: Picture taken! Its size was: 51747 bytes
I (33771) camera: Taking picture...
I (34117) sdcard: JPEG saved as /sd/6_img.jpg
I (34117) camera: Picture taken! Its size was: 51968 bytes
输出图像
Arduino IDE中的FreeRTOS
FreeRTOS可以用于基于Arduino IDE的XIAO-S3构建。它与ESP-IDF类似，但只能在一个核心上运行，且没有针对ESP-IDF进行优化。
硬件设置
将Xiao-S3连接到 Grove - 扩展板（OLED显示屏和RTC），并将Grove - 温湿度、压力和气体传感器（BME680）连接到I2C总线。
软件设置
安装pcf8563、U8x8lib和bme680库。参考如何安装库来安装Arduino的库。
#include "time.h"
#include <WiFi.h>
#include <PCF8563.h>
#include <U8x8lib.h>
#include <Wire.h>
#include "seeed_bme680.h"
#define IIC_ADDR uint8_t(0x76)
Seeed_BME680 bme680(IIC_ADDR); /* IIC 协议 */
// 用于 PCF8563 实时时钟的 I2C 通信库
PCF8563 pcf;
// OLED 显示库
U8X8_SSD1306_128X64_NONAME_HW_I2C u8x8(/* 时钟=*/D4, /* 数据=*/D5, /* 重置=*/U8X8_PIN_NONE); // 无重置的 OLED 显示屏
// WiFi 网络凭证
const char* ssid = "REPLACE_WITH_YOUR_SSID";
const char* password = "REPLACE_WITH_YOUR_PASSWORD";
// 用于时间同步的 NTP 服务器
const char* ntpServer = "pool.ntp.org";
// 时区偏移量（根据您所在的地区调整）
const long gmtOffset_sec = 5.5 * 60 * 60; // 小时 * 分钟 * 秒（这里是 GMT+5:30）
const int daylightOffset_sec = 0; // 假设没有夏令时
// 用于存储当前时间信息的全局变量
static Time nowTime;
// 任务的函数原型
void printDateAndTime(void* pvParameters);
void updateTime(void* pvParameters);
void ledBlink2Hz(void* pvParameters);
void oledDisplayUpdate(void* pvParameters);
void taskBME680(void* pvParameters);
// 设置函数（在启动时运行一次）
void setup() {
Serial.begin(115200); // 初始化串行通信，用于调试
// 将内建 LED 引脚设置为输出，用于闪烁
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
Serial.print("正在连接到 ");
Serial.println(ssid);
WiFi.begin(ssid, password); // 连接到 WiFi 网络
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
while (!bme680.init()) {
Serial.println("bme680 初始化失败！无法找到设备！");
delay(10000);
}
pcf.init(); // 初始化 PCF8563 实时时钟
// 在设置时间之前停止时钟
pcf.stopClock();
// 配置通过 NTP 服务器进行时间同步
configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
static struct tm timeinfo;
while (!getLocalTime(&timeinfo)) {
Serial.println("没有接收到时间信息... 正在等待...");
}
// 根据获取的时间设置 PCF8563 时钟
pcf.setYear(timeinfo.tm_year);
pcf.setMonth(timeinfo.tm_mon);
pcf.setDay(timeinfo.tm_mday);
pcf.setHour(timeinfo.tm_hour);
pcf.setMinut(timeinfo.tm_min);
pcf.setSecond(timeinfo.tm_sec);
pcf.startClock(); // 设置时间后启动时钟
Serial.println("WiFi 已连接，IP 地址为 " + WiFi.localIP());
u8x8.begin(); // 初始化 OLED 显示屏
u8x8.setFlipMode(1); // 可选：旋转 OLED 显示内容
// 创建不同功能的任务
xTaskCreate(
updateTime,
"获取本地时间",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);
xTaskCreate(
ledBlink2Hz,
"任务 2",
configMINIMAL_STACK_SIZE,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);
xTaskCreate(
oledDisplayUpdate,
"OLED 显示任务",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY,
NULL);
xTaskCreate(
printDateAndTime,
"打印 UART",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY,
NULL);
xTaskCreate(
taskBME680,
"BME680 传感器轮询",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);
}
// 循环函数（在此案例中不执行任何操作，所有任务由任务管理处理）
void loop() {
// 这里什么也不做，所有工作都由任务完成
}
// 作为任务运行的函数：打印当前日期和时间到串口
void printDateAndTime(void* pvParameters) {
for (;;) {
// 以格式化字符串（DD/MM/YY\tHH:MM:SS）打印当前时间到串口
Serial.printf("%02d/%02d/%02d\t%02d:%02d:%02d\n",
nowTime.day, nowTime.month + 1, nowTime.year % 100,
nowTime.hour, nowTime.minute, nowTime.second);
// 延迟 1 秒后再次读取时间
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
// 作为任务运行的函数：从 PCF8563 时钟读取当前时间
void updateTime(void* pvParameters) {
for (;;) {
// 从 PCF8563 时钟更新全局 `nowTime` 变量的当前时间
nowTime = pcf.getTime();
// 延迟 0.5 秒后再次读取时间（可以根据所需的更新频率调整）
vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
// 作为任务运行的函数：以 2Hz 的频率闪烁内建 LED
void ledBlink2Hz(void* pvParameters) {
bool state = true; // LED 的初始状态（开或关）
for (;;) {
// 设置 LED 状态（HIGH 为开，LOW 为关）
digitalWrite(LED_BUILTIN, (state ? HIGH : LOW));
// 延迟 0.5 秒，以创建 2Hz 的闪烁频率（一个周期的开/关）
vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
// 切换 LED 状态以进行下一个周期
state = !state;
}
}
// 作为任务运行的函数：更新 OLED 显示屏上的日期和时间
void oledDisplayUpdate(void* pvParameters) {
for (;;) {
// 设置第一行的字体（日期）
u8x8.setFont(u8x8_font_chroma48medium8_r);
// 设置第一行的光标位置（居中）
u8x8.setCursor(0, 0);
char buffer1[12]; // 用于存储格式化日期字符串的缓冲区
std::snprintf(buffer1, sizeof(buffer1), "%02d/%02d/%02d",
nowTime.day, nowTime.month + 1, nowTime.year % 100);
u8x8.print(buffer1);
// 格式化时间字符串（HH:MM:SS）并存入 buffer2
std::snprintf(buffer1, sizeof(buffer1), "%02d:%02d:%02d",
nowTime.hour, nowTime.minute, nowTime.second);
// 将格式化的时间字符串打印到 OLED 显示屏
u8x8.print(buffer1);
// 调整光标位置到第二行（第一行下方）
u8x8.setCursor(0, 10);
char buffer2[20]; // 用于存储格式化传感器数据的缓冲区
std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "T: %.1f°C", bme680.sensor_result_value.temperature);
u8x8.print(buffer2);
u8x8.setCursor(0, 20);
std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "P: %.1fkPa", bme680.sensor_result_value.pressure / 1000.0);
u8x8.print(buffer2);
u8x8.setCursor(0, 30);
std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "H: %.1f%%", bme680.sensor_result_value.humidity);
u8x8.print(buffer2);
// std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "G: %.1f Kohms", bme680.sensor_result_value.gas / 1000.0);
// u8x8.print(buffer2);
vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 每 0.1 秒更新一次（根据需要调整）
}
}
void taskBME680(void* pvParameters) {
for (;;) {
if (bme680.read_sensor_data()) {
Serial.println("读取失败 :(");
} else {
Serial.print("T: ");
Serial.print(bme680.sensor_result_value.temperature, 2);
Serial.print(" C P: ");
Serial.print(bme680.sensor_result_value.pressure / 1000.0, 2);
Serial.print(" KPa H: ");
Serial.print(bme680.sensor_result_value.humidity, 2);
Serial.print(" % G: ");
Serial.print(bme680.sensor_result_value.gas / 1000.0, 2);
Serial.println(" Kohms");
}
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
输出
串行监视器输出
09/09/24 03:17:20
T: 29.01 C P: 90.86 KPa H: 63.41 % G: 47.41 Kohms
09/09/24 03:17:21
T: 29.03 C P: 90.86 KPa H: 63.34 % G: 47.85 Kohms
Arduino FreeRTOS 与 ESP-IDF FreeRTOS 比较
| 特性 | Arduino FreeRTOS | ESP-IDF FreeRTOS |
|---|---|---|
| 抽象层 | 更高层次的抽象，适合初学者 | 更低层次的抽象，提供更多对经验丰富用户的控制 |
| 开发环境 | Arduino IDE | ESP-IDF 命令行工具 |
| 兼容性 | 主要兼容基于 Arduino 的开发板 | 兼容更广泛的 ESP32 和 ESP32-S2 开发板 |
| 特性 | 基本的 RTOS 特性，任务创建、调度、同步 | 完备的 RTOS 特性，任务创建、调度、同步、事件组、队列、互斥锁、信号量 |
| 性能 | 由于抽象层的存在，通常性能较低 | 由于可以直接访问硬件和 RTOS API，性能较高 |
| 可定制性 | 可定制性选项有限 | 通过配置文件和 API 提供广泛的定制选项 |
| 学习曲线 | 对初学者来说更容易学习 | 对于不熟悉命令行工具和 C/C++ 的用户，学习曲线较陡 |
| 使用场景 | 简单的物联网项目、原型开发 | 复杂的物联网应用、实时系统、定制硬件 |
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