Ngắt Ngoài Arduino: Hướng Dẫn Chi Tiết và Ứng Dụng Thực Tế

Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn toàn diện về ngắt ngoài (External Interrupts) trên nền tảng Arduino. Bạn sẽ được tìm hiểu về cơ chế hoạt động, cách cấu hình, các chế độ kích hoạt và các ví dụ thực tế để ứng dụng ngắt ngoài vào các dự án của mình, giúp tăng độ chính xác và hiệu quả trong việc đo thời gian và xử lý các sự kiện.

Ngắt (Interrupt) là gì và Hoạt động như thế nào?

Ngắt (Interrupt) là một cơ chế cho phép một sự kiện bên ngoài hoặc bên trong vi điều khiển tạm dừng việc thực thi chương trình chính và chuyển quyền điều khiển cho một đoạn mã đặc biệt gọi là trình xử lý ngắt (Interrupt Service Routine - ISR). Sau khi ISR hoàn thành, vi điều khiển sẽ tiếp tục thực thi chương trình chính từ vị trí bị gián đoạn.

Cơ chế hoạt động của ngắt trên Arduino (sử dụng Atmega328p) diễn ra như sau:

• Khi CPU của vi điều khiển nhận được tín hiệu ngắt, nó sẽ tạm dừng việc thực thi chương trình chính và lưu lại trạng thái hiện tại.
• CPU sau đó sẽ chuyển đến vector ngắt (địa chỉ) nơi chứa hàm ISR tương ứng.
• CPU bắt đầu thực thi hàm ISR cho đến khi hoàn thành.
• Cuối cùng, CPU khôi phục lại trạng thái của chương trình chính và tiếp tục thực thi từ vị trí bị gián đoạn.

Bạn có thể hình dung ngắt như một cuộc gọi khẩn cấp. Khi cuộc gọi đến, bạn tạm dừng mọi việc đang làm để trả lời, sau đó quay lại công việc ban đầu.

Các Loại Ngắt trên Arduino

Trên Arduino, chúng ta có hai loại ngắt chính:

• Ngắt Bên Trong (Internal Interrupts): Được tạo ra bởi các sự kiện bên trong vi điều khiển, ví dụ như từ bộ định thời (timers), bộ chuyển đổi ADC, UART, hoặc các thiết bị ngoại vi khác.
• Ngắt Bên Ngoài (External Interrupts): Được kích hoạt bởi các tín hiệu bên ngoài tác động lên các chân cụ thể của vi điều khiển. Các chân này thường được gọi là chân IRQ (Interrupt Request).

Bài viết này tập trung vào ngắt ngoài Arduino, một công cụ mạnh mẽ để phản ứng nhanh chóng với các sự kiện từ thế giới bên ngoài.

Sử Dụng Ngắt Ngoài trên Arduino

Để sử dụng ngắt ngoài trên Arduino, chúng ta cần hiểu rõ về các chân ngắt ngoài, các chế độ kích hoạt và các hàm liên quan.

1. Chân Ngắt Ngoài Arduino

Số lượng và vị trí của các chân ngắt ngoài khác nhau tùy theo từng loại bo mạch Arduino. Ví dụ, trên Arduino UNO, chúng ta có chân số 2 và 3 tương ứng với ngắt INT0 và INT1. Dưới đây là bảng tổng hợp các chân ngắt ngoài trên một số bo mạch Arduino phổ biến:

• Arduino Uno, Nano, Mini: 2, 3
• Arduino Mega: 2, 3, 18, 19, 20, 21
• Arduino Micro, Leonardo: 0, 1, 2, 3, 7
• Arduino Zero: Tất cả các chân IO (trừ pin 4)
• Arduino Due: Tất cả các chân IO

Khi sử dụng, hãy lưu ý rằng số hiệu vector ngắt khác với số hiệu chân IO. Để chuyển đổi giữa hai giá trị này, bạn có thể sử dụng hàm digitalPinToInterrupt().

2. Chế Độ Kích Hoạt Ngắt

Arduino cho phép bạn cấu hình chế độ kích hoạt ngắt để xác định khi nào ngắt sẽ được gọi. Các chế độ kích hoạt phổ biến bao gồm:

• RISING: Ngắt được kích hoạt khi tín hiệu chuyển từ MỨC THẤP lên MỨC CAO.
• FALLING: Ngắt được kích hoạt khi tín hiệu chuyển từ MỨC CAO xuống MỨC THẤP.
• CHANGE: Ngắt được kích hoạt khi tín hiệu thay đổi (từ MỨC THẤP lên MỨC CAO hoặc ngược lại).
• LOW: Ngắt được kích hoạt khi tín hiệu ở MỨC THẤP.

Việc lựa chọn chế độ kích hoạt phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3. Hàm attachInterrupt()

Hàm attachInterrupt() được sử dụng để gán một hàm ISR (Interrupt Service Routine) cho một chân ngắt ngoài. Cú pháp của hàm như sau:

        
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode);
        
    

• pin: Số hiệu chân ngắt ngoài.
• ISR: Tên của hàm ISR (không có tham số và không trả về giá trị).
• mode: Chế độ kích hoạt ngắt (RISING, FALLING, CHANGE, hoặc LOW).

4. Hàm detachInterrupt()

Hàm detachInterrupt() được sử dụng để vô hiệu hóa ngắt ngoài đã được kích hoạt trước đó. Cú pháp của hàm như sau:

        
detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin));
        
    

Việc tắt ngắt khi không cần thiết giúp giảm tải cho CPU và cải thiện hiệu suất hệ thống.

Ví Dụ Ứng Dụng Ngắt Ngoài

Dưới đây là một ví dụ đơn giản về cách sử dụng ngắt ngoài để đo thời gian giữa hai lần nhấn nút:

        
volatile unsigned long startTime, endTime, duration;
volatile bool measuring = false;
int interruptPin = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(interruptPin, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), buttonPressed, FALLING);
}

void loop() {
  if (measuring == false && endTime > startTime) {
    duration = endTime - startTime;
    Serial.print("Thời gian: ");
    Serial.print(duration);
    Serial.println(" ms");
	startTime = 0;
	endTime = 0;
  }
}

void buttonPressed() {
  if (measuring == false) {
    startTime = millis();
    measuring = true;
  } else {
    endTime = millis();
    measuring = false;
  }
}
        
    

Trong ví dụ này, chúng ta sử dụng ngắt ngoài để ghi lại thời điểm nhấn nút và tính toán khoảng thời gian giữa hai lần nhấn. Hàm buttonPressed() là ISR được gọi mỗi khi nút được nhấn. Lưu ý rằng các biến được chia sẻ giữa ISR và chương trình chính phải được khai báo là volatile.

Một số lưu ý khi làm việc với ngắt ngoài

• Thời gian thực thi của ISR nên càng ngắn càng tốt để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất của chương trình chính.
• Sử dụng từ khóa volatile cho các biến được truy cập từ cả chương trình chính và ISR.
• Cẩn thận với hiện tượng "bouncing" (rung) của nút nhấn, có thể gây ra nhiều ngắt không mong muốn. Sử dụng các kỹ thuật chống rung phần cứng hoặc phần mềm để giải quyết vấn đề này.

Kết Luận

Ngắt ngoài Arduino là một công cụ mạnh mẽ cho phép bạn tạo ra các ứng dụng phản ứng nhanh chóng và hiệu quả với các sự kiện bên ngoài. Bằng cách hiểu rõ về cơ chế hoạt động, cách cấu hình và các ví dụ thực tế, bạn có thể tận dụng tối đa khả năng của ngắt ngoài để nâng cao chất lượng và hiệu suất của các dự án Arduino của mình.