Прогресс-бар и гистограмма на кастомных символах: проценты загрузки и шкала датчика

Индикатор громкости для гаражной колонки я собирал из того, что было под рукой: микрофонный модуль MAX4466 на аналоговом входе и экран 16x2. Сначала на экране жило честное число, которое дрожало между тридцатью и девяноста процентами, и это была одна из тех идей, которые работают технически и не работают по-человечески: число надо находить глазами, прочитывать и сравнивать, а пока читаешь — оно уже другое. Столбик читается иначе, периферийным зрением, не отрываясь от паяльника. Через неделю с числом на первую строку въехала шкала, ещё через несколько дней под ней поселилась гистограмма того, куда сигнал падает чаще всего. Обе картинки собраны из одних и тех же символов, и ниже — как именно.

По классике жанра сначала оговорю, что уже живёт в соседних уроках. Бар из пяти слотов с частичной заливкой разобран в уроке про классический прогресс-бар, спиннер загрузки с процентами на millis — в уроке про анимацию загрузки, а вертикальные столбики-история, где экран показывает временной ряд, — в уроке про индикатор уровня. Мой угол другой: горизонтальная шкала текущего значения с маркером пика и гистограмма-распределение, которая отвечает на вопрос «как часто сигнал бывает большим», а не «когда он был большим». Это разные вопросы, и железо под них тратится одно и то же.

Пара слов про вход, потому что у микрофонного модуля есть характер. Выход MAX4466 смещён на середину питания: тишина читается около 512, а звук качается вокруг неё в обе стороны — шкале это безразлично, она рисует то, что видит. В симуляторе сигнал изображает ручка макетки, на плате подставляйте что угодно аналоговое: LDR, газовый датчик, термистор — шкале всё равно, что мерить, меняется только смысл корзин. Единственное, что стоит знать заранее: у сигнала с сильной постоянкой есть мёртвые корзины, и пустые столбики по краям — не грабля, а честная картина диапазона.

План такой: сначала бюджет знакогенератора — восемь слотов, из которых шкала и маркер съедают пять, потом арифметика клеток с ловушкой на границе, потом корзины гистограммы и чтение их формы. В симуляторе движок команду createChar принимает, но слоты не рисует, поэтому стенд собран честно: шкала там из решёток и плюсов, гистограмма — плотностью символов, а на реальной панели каждая клетка — свой глиф из скетча для платы.

Знакогенератор HD44780 держит восемь своих глифов пять на восемь пикселей, и раскладку стоит придумать до кода, а не во время. У меня она такая: слоты с нулевого по третий — частичные заливки четвертями, от одной полоски до четырёх; четвёртый слот — маркер пика, штрих в верхней строке клетки, который въезжает поверх шкалы; пятый лежит про запас, а два последних всегда свободны для градуса или стрелки. Полный блок доставать не надо — под кодом 255 он уже лежит в постоянном знакогенераторе. Если захочется экономнее, один слот можно переписывать на лету под разные нужды — механика перезаписи разобрана в уроке про типы массивов глифов, там же про ловушки объявления байтовых массивов.

Арифметика клеток обходится без map, и вот почему. Красивое на бумаге map(raw, 0, 1023, 0, 16) при сырое 1023 возвращает ровно шестнадцать — а клеток шестнадцать только в счёте с единицы, их номера ноль-пятнадцать, и шестнадцатой не существует. Дальше значение уезжает в печать за краем, и грабля проявляется не каждый раз, а ровно на пике сигнала — самый обидный момент. Рабочие варианты: целочисленное деление raw на 64, что даёт ноль-пятнадцать честно, или map с потолком 1024, если map вам милее. Вторая ловушка тоньше: маркер пика рисуется после шкалы, отдельным вызовом setCursor — если рисовать его раньше, заливка клетки затрёт штрих, и пик исчезнет с экрана, оставшись только в переменной.

Шкала отвечает на вопрос «сколько сейчас», гистограмма — на вопрос «как часто бывает сколько». Механика простая: диапазон сырья от нуля до 1023 режется на шестнадцать корзин по 64 отсчёта, каждый тик корзина выбранного значения получает плюс один, и экран показывает, где сигнал живёт. Счётчик корзины держу в byte с потолком девять: больше девяти попаданий в одну корзину картинку не меняет, а вот переполнение байта при долгой работе — реальная перспектива, и защита стоит одного сравнения. При тике в 200 миллисекунд корзина наливается до потолка за 1,8 секунды, то есть весь экран оживает на ваших глазах, а кнопка сброса возвращает всё в ноль для нового замера.

Форма читается как распечатка кардиограммы. Узкий горб — источник стабильный, микрофон слушает ровный шум; два горба — качели, где сигнал мечется между двумя режимами; полка у правого края — пики до предела, и это тот случай, когда усреднение в скетче скрыло бы от вас самое интересное. От вертикальной истории из урока про индикатор уровня эта картинка отличается осями: там время уходит влево и видно, что было минуту назад, здесь время свернуто в счётчик, и видно распределение за всё наблюдение. Проценты в правом углу первой строки живут в поле фиксированной ширины — механика ведущих пробелов разобрана в уроке про числа и нули.

Шестнадцать корзин — не догма, а следствие ширины строки. Если прибор смотрит только на нижнюю половину диапазона, шестнадцать корзин на полдиапазона — это тридцать две единицы на корзину, и горб можно растянуть: делите не raw на 64, а (raw - min) * 16 / (max - min), подставив свои границы. Вторая настройка — окно замера: тик 200 миллисекунд собирает картинку за секунды, тик в секунду растягивает её на минуты и подходит для суточных распределений. Меняется одна константа в условии millis, а смысл картинки меняется целиком: от «что происходит сейчас» до «как шёл весь день».

Что из этого ставить на свой прибор — вопрос не вкуса, а задачи, и моё правило простое. Шкала нужна, когда оператор реагирует на текущее значение: уровень сигнала, громкость, заполнение бака. Гистограмма нужна, когда важен характер: настройка чувствительности микрофона, поиск дребезга, оценка шума канала перед калибровкой. Число нужно для сверки с порогом и для протокола — и ровно поэтому оно у меня переехало из центра экрана в Serial: глаз читает столбики быстрее, чем цифру, а точную сверку делаешь раз в настройке, а не каждый час.

У гистограммы есть и неожиданное применение в отладке: она ловит то, что разовый замер прячет. Мой второй выпуск индикатора показал, что «ровный» аналоговый сигнал от блока питания дёргается между двумя корзинами каждые несколько секунд — дешёвый БП давал пульсацию, которую число с усреднением рисовало как стабильно сорок четыре процента. Куда расти дальше: бар загрузки с процентами на millis разобран в уроке про анимацию загрузки, а те же корзины на OLED рисуются пикселями без всяких слотов — приёмы заливки прямоугольников показаны в уроке про примитивы SSD1306.

Про цену кадра, чтобы никто не боялся частых тиков. Полный кадр этого стенда — две строки по шестнадцать клеток, те же 10-15 миллисекунд по шине, что и у любого текста 16x2; при тике 200 миллисекунд шина занята пятью-семью процентами времени, и соседям по I2C делать нечего. Я держал на одной шине с этим стендом DS3231 — часы даже не заметили соседа. Единственная дисциплина, которую надо соблюдать, — не ставить тик короче сотни миллисекунд: при 20 миллисекундах шина будет занята наполовину, а глаз всё равно не успеет прочитать изменения.