Serial Plotter как осциллограф: скорость, масштаб, кривые

Сигнал на A0 я смотрел в плоттере, как в осциллографе, и первый час всё шло отлично — пока не понадобилось показать форму крупно: один игольчатый выброс, и вся рабочая кривая сложилась в нитку у нуля. Autoscale честно вместил всё, включая мусор, и полезное стало недоразумением. Второй подвох я нашёл позже: датчик дрожал сотни раз в секунду, а плоттер рисовал гладкие горбы — я печатал реже, чем менялся сигнал, и график дорисовывал недостающее прямыми линиями, как будто так и было.

Здесь плоттер разбирается как измерительный инструмент: сколько кадров в секунду вытянет порт при ваших бодах, как выбросы ломают масштаб и что с этим делать в скетче, как уместить три кривые в одном окне и где график перестаёт быть честным. Базовый формат — пары имя=значение, два ряда, пауза для осмотра — разобран в уроке про Serial Plotter; где в IDE 2 живут вкладки монитора и графика, показывал в уроке про монитор порта. Дальше — только то, что отличает осциллограф от красивой картинки.

Договоримся о словах сразу: настоящий осциллограф смотрит электричество напрямую, тысячи кадров в секунду и с шкалой вольт. Плоттер видит то, что скетч сам напечатал в порт, — и в этом его сила и потолок: вместо щупа — одна строка кода, вместо тысяч кадров — столько, сколько вытянет канал. По моему опыту девять диагностических задач раздела — тренды, шумы, пили, реакции на ручку — ложатся на плоттер целиком, и лишь редкий остаток требует настоящего прибора. Позиционирование важно: сравнение с осциллографом — про привычку смотреть форму, а не про замену железа.

Каждый байт сериала едет десятью битами — старт, восемь бит значения, стоп — поэтому 9600 бод означают 960 символов в секунду. Строка raw=512 с переводом строки весит восемь символов: потолок — около 120 кадров в секунду. Три ряда с подписями — уже около 20 символов на кадр, и потолок падает до 48. На 115200 бод те же строки тянут 1440 коротких кадров или 576 трёхрядных. АЦП при этом свободен: одиночное чтение занимает сотню микросекунд, о чём я считал биты в уроке про скорость АЦП, — узкое место всегда печать, не преобразователь.

Из арифметики два привычных решения. Первое: меньше символов в строке — короткие имена рядов, а для одиночной кривой голые числа без меток. Второе: печать по таймеру, раз в 20-40 миллисекунд по millis, а не в каждый проход loop: кадры уходят стабильно, период сигнала на графике не плывёт от лишнего текста, и глаз читает форму, а не дрожь темпа. Третье, про запас: если форма сигнала важнее подписей, поднимите скорость порта до 115200 — обе стороны кабеля должны назвать одну цифру, сверка из первого урока про монитор, — и запас кадров вырастет десятикратно.

Масштаб. Autoscale берёт минимум и максимум всего окна и растягивает их на экран: один выброс до 1023 — и рабочая кривая в сотню единиц ложится на дно, как в моей истории с крупным кадром. Лечение в скетче дешевле лечения глазами. Вариант первый: печатать зажатое значение — cap=constrain(raw,0,900): выброс останется на графике полкой у 900, а не иглой до потолка, и масштаб перестанет прыгать. Вариант второй — ряд-линейка: константа известного уровня рядом с сигналом, глаз калибруется по ней без шкалы. Вариант третий для рядов разного масштаба: большое делить на константу — значения 0-1023 и 0-255 живут в одном окне, если меньший ряд печатать с умножением на четыре или больший с делением на два; цена — мелочь на сжатом ряду, и про неё честно помните.

Второй ряд в скетче выше — фильтр, и он заслуживает отдельного абзаца. Формула filt = (filt * 85 + raw * 15) / 100 — экспоненциальное сглаживание: восемьдесят пять процентов старого значения и пятнадцать свежего. На графике два ряда рассказывают историю сразу: raw дёргается от ползунка, filt ползёт следом с запаздыванием в несколько кадров — при периоде печати 40 мс задержка на глаз около пятой секунды. Это не дефект, а цена сглаживания: чем сильнее давите шум, тем позже реакция. Правило подбора, к которому я пришёл на датчике наклона дверного замка: если ряд фильтра отстаёт от ручки заметно глазу — коэффициент свежего поднять с пятнадцати до двадцати пяти; если дрожь на фильтре всё ещё видна — наоборот, уменьшить. И помните: фильтр прячет и полезное — иглу выброса он превращает в горб, поэтому для ловли одиночных сбоев фильтрованный ряд не годится, смотрите сырой.

Одна строка — один кадр: сколько пар имя=значение в кадре, столько рядов поедет на шаг. Практический потолок читаемости — три-четыре ряда, дальше цвета начинают спорить друг с другом, и глаз тратит время на расшифровку вместо наблюдения. Ряды разной природы лучше разводить по разным запускам: температура и её порог живут вместе отлично, добавьте сюда же состояние реле — и график превратится в флаговую лестницу, где кривые не читаются. Имена рядов держите короткими и постоянными от проекта к проекту: два символа и знак равенства — и рука уже не путает кадры между запусками. В свежих сборках IDE 2 у плоттера есть переключатели интерполяции и меток времени: интерполяция рисует прямые между кадрами, её выключение даёт ступеньки честных точек, а метки времени показывают, что кадры идут неравномерно, — полезно, когда печать в loop без таймера. Живой двухрядный пример — график температуры и порога реле в разделе про датчики.

Границы честности. Плоттер — осциллограф на секунды и десятки секунд, не на микросекунды: фронты короче интервала печати он рисует ступеньками или пропускает целиком, показывая огибающую вместо формы. Для дребезга, задержек на единицы миллисекунд и фронтов нужен логический анализатор, а плоттер оставьте трендам, шумам, кривым заряда и пилам. Отдельный класс задач — подтверждение результата: вы настроили порог, гистерезис, коэффициент фильтра — и график показывает, что реальность согласна с расчётом, быстрее, чем столбик чисел в мониторе. В диагностике он силён в паре со ступенями из методики отладки: Serial-точки показали, где ветка ломается, — график показал, как именно она себя ведёт рядом с этим местом.