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XIAO ESP32S3(Sense) 与 FreeRTOS

本 wiki 介绍了 Seeed Studio XIAO ESP32S3FreeRTOS 的支持。通过本指南的帮助,您将能够利用该开发板的可用功能集。

什么是 FreeRTOS

pir

FreeRTOS 是一个 C 库集合,由实时内核和一组实现互补功能的模块化库组成。FreeRTOS 内核是一个实时内核(或实时调度器),使基于 FreeRTOS 构建的应用程序能够满足其硬实时要求。它使应用程序能够组织为独立执行线程的集合。

参考:掌握 FreeRTOS 实时内核

FreeRTOS 移植

FreeRTOS 是一个开源 RTOS(实时操作系统)内核,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 内核已移植到 ESP 芯片的所有可用架构(即 Xtensa 和 RISC-V)。

我们将使用 FreeRTOS 的 ESP IDF 移植版本。

硬件准备

我使用的是 Seed Studio XIAO ESP32S3 Sense 以及板载摄像头、麦克风和 SD 卡读卡器,还有 ESP32S3 的 WiFi 功能。

Seeed Studio XIAO ESP32S3(Sense)

附加组件

软件准备

我使用的是 Visual Studio Code(Windows)配合 ESP-IDF。

  1. VSCode 安装
  2. ESP-IDF 安装指南
  3. Git 仓库
VS CodeESP-IDF for VSCode

入门指南

设置 ESP-IDF

设置好 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(VScode 外部)访问 ESP-IDF 命令行工具。

note

ESP-IDF VS-Code 扩展的正常安装将处理 90% 的使用情况,只有在您需要在环境外使用 ESP 命令行工具时才执行以下步骤。

PowerShell(Windows)

.$HOME\esp\v5.3\esp-idf\export.ps1
info

".$HOME\esp\v5.3\esp-idf" 可能因用户而异。这是默认安装路径。
请将其替换为您设备上的安装路径。

tip

为了避免重复设置,请以管理员模式启动 PowerShell 并输入以下命令

notepad $PSHOME\Profile.ps1

一个记事本实例将会打开。将导出的shell命令粘贴到记事本中并保存。 打开一个powershell实例,它应该有接近以下的输出。

Done! You can now compile ESP-IDF projects.

如果一切都正确完成,以下命令:

idf.py

应该显示以下输出:

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?

任务是处理器被请求执行的小函数/作业,具有一组设置。任务的范围可以从小函数到无限循环函数。
任务是 ESP-IDF 应用程序中执行的基本单元。它们本质上是与其他任务并发运行的函数。这允许高效的多任务处理和响应性。

什么是任务属性?

由于这个主题的广泛性,我将只涵盖我们在本指南中将使用的一些属性。

  • 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:这指定为任务堆栈分配的内存量。堆栈用于存储局部变量、函数返回地址和临时数据。
  • TaskPriority:这决定了任务相对于其他任务的相对重要性。高优先级任务比低优先级任务有更大的机会被优先执行。
  • TaskParameters:这些是可选参数,可以在创建任务函数时传递给它。它们可以用于为任务提供额外的上下文或配置。
  • CoreAffinity:这指定任务应该分配给哪个 CPU 核心。在具有多个核心的系统中,这可以用于优化性能或平衡工作负载。

创建任务

要在 FreeRTOS 中创建任务,使用 xTaskCreate 函数。此函数接受几个参数,包括任务函数、任务名称、堆栈大小、参数、优先级和创建任务的句柄。

TaskHandle_t task;
xTaskCreate(
taskFunction, /* Function that implements the task. */
"taskName", /* Text name for the task. */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, or bytes. */
NULL, /* Parameter passed into the task. */
tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
&task /* Used to pass out the created task's handle. */
);

创建固定到核心的任务

要创建一个任务并将其固定到特定核心(仅当使用的芯片是双核时),使用 xTaskCreatePinnedToCore 函数。此函数类似于 xTaskCreate,但包含一个用于指定核心的附加参数。

TaskHandle_t task;
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction, /* 实现任务的函数。 */
"taskName", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 堆栈大小,以字或字节为单位。 */
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。 */
0); /* 核心 ID */

任务函数调用

任务函数是将由任务执行的实际代码。

void taskFunction(void * pvParameters) {
/*
函数定义在这里
*/
}

任务可视化

我正在创建四个简单的任务来可视化 FreeRTOS 的工作原理。

pir

可视化表示

CPU0
-----
taskFunction1 (1000ms delay)

CPU1
-----
taskFunction2 (500ms delay)
taskFunction3 (500ms delay)
taskFunction4 (500ms delay)

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)); // 添加延迟以避免输出过多
}
}

void taskFunction2(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task2", "来自任务2的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟以避免输出过多
}
}

void taskFunction3(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task3", "来自任务3的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟以避免输出过多
}
}

void taskFunction4(void * pvParameters) {
while (true) {
ESP_LOGI("Task4", "来自任务4的问候");
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 添加延迟以避免输出过多
}
}

void app_main(void) {
xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction1, /* 实现任务的函数。 */
"task_1", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小,以字为单位,不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
&task1, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
0); /* 核心ID */

xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction2, /* 实现任务的函数。 */
"task_2", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小,以字为单位,不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
&task2, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
1); /* 核心ID */

xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction3, /* 实现任务的函数。 */
"task_3", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小,以字为单位,不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
&task3, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
1); /* 核心ID */

xTaskCreatePinnedToCore(
taskFunction4, /* 实现任务的函数。 */
"task_4", /* 任务的文本名称。 */
configMINIMAL_STACK_SIZE, /* 栈大小,以字为单位,不是字节。 */
NULL, /* 传递给任务的参数。 */
tskIDLE_PRIORITY, /* 创建任务时的优先级。 */
&task4, /* 用于传出创建的任务句柄。 */
1); /* 核心ID */
}
tip

configMINIMAL_STACK_SIZE 可以在 sdkconfig 中更改。

  1. 四个任务:代码定义了四个任务:taskFunction1、taskFunction2、taskFunction3 和 taskFunction4。
  2. 任务优先级:所有任务都使用 tskIDLE_PRIORITY 创建。这意味着它们具有相同的优先级。
  3. 任务绑定:taskFunction1 绑定到 CPU0,而其他三个任务绑定到 CPU1。
  4. 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

我已经为 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 任务调度

任务:taskFunction2、taskFunction3、taskFunction4
优先级:全部空闲(相同优先级)
延迟:所有任务均为 500ms
核心:1
info

这是一个简化的调度表。实际实时系统中的任务调度会涉及更复杂的因素,如任务优先级、截止时间和资源约束。

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 Air Quality Sensor v1.3 以及 ESP_IDF_v5.3。

硬件设置

将 Xiao-S3 连接到 Grove - Expansion Board,并将 Air Quality Sensor v1.3 连接到模拟连接器。

pir

软件设置

拉取 git 仓库后,在 VSCode 中打开文件夹。转到 View->Command Palette->ESP-IDF: Add vscode Configuration Folder。 从底部面板选择正确的 COM 端口、芯片(ESP-S3),然后构建、烧录和监控。

代码概述

此代码旨在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。

关键组件:

  • 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。

  • 它尝试使用 initialize_air_quality_sensor() 初始化传感器。

  • 如果初始化成功,传感器就准备好进行数据收集。

  • 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() 任务被创建用于连续读取传感器的原始数据。

  • 它调用 air_quality_sensor_slope() 来处理原始数据并计算斜率,这是空气质量的一个指标。

  • 该任务在读取下一个数据点之前延迟 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() 任务被创建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() 检索当前时间、斜率、原始值和空气质量消息。
  • 该任务以格式化的方式将数据打印到控制台。
  • 该任务在打印下一个数据点之前延迟 1000 毫秒。

void app_main(void)
{
sensor_setup();
xTaskCreatePinnedToCore(
poll_read_air_quality_sensor, /* Function that implements the task. */
"poll_read_air_quality_sensor", /* Text name for the task. */
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2, /* Stack size in words, not bytes. */
NULL, /* Parameter passed into the task. */
tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
NULL, /* Used to pass out the created task's handle. */
0); /* Core ID */

xTaskCreatePinnedToCore(
print_read_air_quality_sensor, /* Function that implements the task. */
"print_read_air_quality_sensor", /* Text name for the task. */
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2, /* Stack size in words, not bytes. */
NULL, /* Parameter passed into the task. */
tskIDLE_PRIORITY + 1, /* Priority at which the task is created. */
NULL, /* Used to pass out the created task's handle. */
0); /* Core ID */
}

输出

Time : 37207    Slope : 3       Raw Value : 273
新鲜空气。
Time : 38217 Slope : 3 Raw Value : 269
新鲜空气。
Time : 39227 Slope : 3 Raw Value : 274
新鲜空气。
Time : 40237 Slope : 3 Raw Value : 251
新鲜空气。
Time : 41247 Slope : 3 Raw Value : 276
新鲜空气。
Time : 42257 Slope : 3 Raw Value : 250
新鲜空气。
Time : 43267 Slope : 3 Raw Value : 236
新鲜空气。
Time : 44277 Slope : 3 Raw Value : 253
新鲜空气。
Time : 45287 Slope : 3 Raw Value : 245
新鲜空气。
Time : 46297 Slope : 3 Raw Value : 249
新鲜空气。
Time : 47307 Slope : 3 Raw Value : 244
新鲜空气。
Time : 48317 Slope : 3 Raw Value : 235
新鲜空气。
Time : 49327 Slope : 3 Raw Value : 239
新鲜空气。
Time : 50337 Slope : 3 Raw Value : 233
新鲜空气。
Time : 51347 Slope : 3 Raw Value : 235
新鲜空气。

在 FreeRTOS 中使用摄像头和 SD 卡

为此,我使用板载摄像头和 SD 卡以及 ESP_IDF_v5.3。

硬件设置

按照 microSD 卡指南摄像头指南 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

设置看起来像这样:

正面背面

软件设置

拉取 git 仓库后,在 VSCode 中打开文件夹。转到 View->Command Palette->ESP-IDF: Add vscode Configuration Folder。 从底部面板选择正确的 COM 端口、芯片(ESP-S3)并构建、烧录和监控。

tip

如果您使用的是 OV3660 型号,您需要在 IDF 中设置它以便能够驱动它。在终端中输入 "idf.py menuconfig"

步骤 1步骤 2步骤 3

摄像头组件

  • 摄像头配置:
    • 定义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、帧缓冲区数量、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, // 要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, "Camera configured successful");
}
else
{
ESP_LOGI(cameraTag, "Camera configured unsuccessful");
return;
}
}
  • 设置摄像头参数(亮度、对比度、饱和度、特殊效果、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、彩条)。
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 - 棕褐色)
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awb_gain (0 - 自动, 1 - 晴天, 2 - 多云, 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);
}
  • 创建任务cameraTakePicture_5_sec()来每5秒连续拍照。
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,以字或字节为单位。 */
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文件定义摄像头配置参数。
  • camera_interface.h文件声明摄像头初始化和任务创建的函数。
  • camera_interface.c文件实现摄像头初始化、拍照和任务创建逻辑。

SdCard组件

  • SD卡配置:
    定义用于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,当挂载失败时SD卡将被分区和格式化。
    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");

    // 使用上面定义的设置来初始化SD卡并挂载FAT文件系统。
    // 注意:esp_vfs_fat_sdmmc/sdspi_mount是一体化便利函数。
    // 在开发生产应用程序时,请检查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)
    // 要设置特定频率,请使用host.max_freq_khz(SDSPI范围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;
    }

    // 这将初始化没有卡检测(CD)和写保护(WP)信号的插槽。
    // 如果您的板子有这些信号,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。"
    "如果您希望格式化卡,请在sdcard_config.h中设置FORMAT_IF_MOUNT_FAILED");
    }
    else
    {
    ESP_LOGE(sdcardTag, "初始化卡失败(%s)。"
    "确保SD卡线路有上拉电阻。",
    esp_err_to_name(ret));
    }
    return;
    }
    ESP_LOGI(sdcardTag, "文件系统已挂载");

    // 卡已初始化,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卡的函数。
    uint16_t lastKnownFile = 0;

    void saveJpegToSdcard(camera_fb_t *captureImage)
    {
    // 查找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SD卡配置参数。
  • sdcard_interface.h文件声明SD卡初始化、去初始化和图像保存的函数。
  • sdcard_interface.c文件实现SD卡初始化、去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();
}

  • 包含相机和SD卡接口所需的头文件。
  • 使用提供的函数初始化SD卡和相机。
  • 启动相机任务以连续拍照

输出

pir

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

pir

Arduino IDE 的 FreeRtos

FreeRtos 可以用于基于 Arduino-IDE 的 XIAO-S3 构建。它类似于 ESP-IDF 可用,但它只在一个核心上运行,并且没有针对 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 - Arduino 温度、湿度、压力和气体传感器 - BME680 连接到 I2c 总线。

pir

软件设置

安装 pcf8563U8x8libbme680 库的 arduino 库。参考 如何安装库 为 Arduino 安装库。

#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 */

// PCF8563 实时时钟的 I2C 通信库
PCF8563 pcf;

// OLED 显示屏库
U8X8_SSD1306_128X64_NONAME_HW_I2C u8x8(/* clock=*/D4, /* data=*/D5, /* reset=*/U8X8_PIN_NONE); // 无复位引脚的 OLED 显示屏

// WiFi 网络凭据
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(根据您的位置调整)
const long gmtOffset_sec = 5.5 * 60 * 60; // 小时 * 分钟 * 秒(这里是 GMT+5:30)
const int daylightOffset_sec = 0; // 假设无夏令时

// 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); // 初始化串口通信用于调试

// 设置内置 LED 引脚为输出模式用于闪烁
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

Serial.print("Connecting to ");
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 init failed ! can't find device!");
delay(10000);
}

pcf.init(); // 初始化 PCF8563 实时时钟

// 在设置时间前停止时钟
pcf.stopClock();

// 使用 NTP 服务器配置时间同步
configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
static struct tm timeinfo;
while (!getLocalTime(&timeinfo)) {
Serial.println("no received time info ... Waiting ...");
}

// 根据获取的时间在 PCF8563 时钟上设置时间
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 connected at " + WiFi.localIP());

u8x8.begin(); // 初始化 OLED 显示屏
u8x8.setFlipMode(1); // 可选择旋转 OLED 显示内容

// 为不同功能创建任务
xTaskCreate(
updateTime,
"Get LocalTime",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);

xTaskCreate(
ledBlink2Hz,
"Task 2",
configMINIMAL_STACK_SIZE,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);

xTaskCreate(
oledDisplayUpdate,
"OLED Display Task",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY,
NULL);

xTaskCreate(
printDateAndTime,
"Print Uart",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY,
NULL);

xTaskCreate(
taskBME680,
"BME680 Sensor Poll",
configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
(void*)1,
tskIDLE_PRIORITY + 1,
NULL);
}

// 循环函数(在这种情况下不执行任何操作,任务处理所有事情)
void loop() {
// 这里没有任何操作,所有工作都在任务中完成
}

// 作为任务运行的函数:将当前日期和时间打印到串口
void printDateAndTime(void* pvParameters) {
for (;;) {
// 将当前时间以格式化字符串(DD/MM/YY\tHH:MM:SS)打印到串口
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 (;;) {
// 使用 PCF8563 时钟的当前时间更新全局 `nowTime` 变量
nowTime = pcf.getTime();
// 延迟 0.5 秒后再次读取时间(可根据所需更新频率调整)
vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}

// 作为任务运行的函数:以 2Hz 频率闪烁内置 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 闪烁频率(一个开/关周期)
vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
// 为下一个周期切换 LED 状态
state = !state;
}
}

// 作为任务运行的函数:用日期和时间更新 OLED 显示
void oledDisplayUpdate(void* pvParameters) {
for (;;) {

// 设置第一行(日期)的字体
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]; // 用于保存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);

// 使用 std::snprintf 将时间字符串(HH:MM:SS)格式化到 buffer2 中
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);

// 调整第二行的光标位置(在第一行下方)
u8x8.setCursor(0, 10);

char buffer2[20]; // 用于保存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

pir

串口监视器输出

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 vs ESP-IDF FreeRtos

功能Arduino FreeRTOSESP-IDF FreeRTOS
抽象层更高级别的抽象,对初学者更容易更低级别的抽象,为有经验的用户提供更多控制
开发环境Arduino IDEESP-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
功能基本的RTOS功能,任务创建、调度、同步全面的RTOS功能,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,性能通常较低由于直接访问硬件和RTOS API,性能更高
定制化定制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++的人来说学习曲线更陡峭
使用场景简单的物联网项目、原型制作复杂的物联网应用、实时系统、定制硬件

故障排除

在硬件连接、软件调试或上传过程中可能会遇到一些问题。

技术支持与产品讨论

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