Графики на OLED: отрисовка показаний датчика

Термометр в теплице показывал ровно одну цифру — текущую. В марте ночью на даче вырубили электричество, к утру внутри было плюс два вместо пятнадцати, и я узнал об этом по погибшей рассаде: экран честно показал те самые плюс два, но истории у него не было — скачок случился, когда все спали. Serial Plotter в браузере рисовал бы такую кривую всю ночь, но компьютер в теплице не живёт — график на экране ПК там просто нечему показывать.

Решение — самописец на самом экране: кольцевой буфер последних N значений и график, обновляющийся раз в секунду. Ни SD-карты, ни сети не нужно: 128 байт под числа — и у прибора появляется память о прошлом. Разберём оси, масштабирование и отрисовку так, чтобы график не съел ни ОЗУ, ни шину.

Самописцы такого рода у меня живут в трёх местах: график давления перед грозой в гараже, уровень CO2 в спальне и вес пчелиного улья. Во всех трёх случаях цифра видна, только когда смотришь, а график хранит всё, что было, пока ты не смотрел: на нём видна и ночь, и обеденный пик, и то самое отключение электричества, о котором я узнал слишком поздно.

Горизонтальная ось — время: каждая точка — один замер, соседние разнесены на 2 пикселя, 64 точки закрывают всю ширину экрана. Вертикальная — значение: map(v, vmin, vmax, 62, 2) прижимает нижнюю базу к y=62, а потолок к y=2, потому что ось y экрана растёт вниз. Базовая линия — drawLine(0, 63, 127, 63), подписи минимума и максимума — по углам через setCursor: сетка строк 6×8 с этим справляется, как в уроке про текст.

Диапазон — место, где обычно промахиваются. map(v, 0, 1023, ...) для термометра утопит сигнал в трёх нижних строках: температура живёт в 10–35 °C, а не на всём ходе АЦП. Масштабируйте под фактический диапазон своего датчика и пропустите результат через constrain перед рисованием, чтобы редкий выброс не улетел за оси. И проверьте границы: map с обращёнными краями — 62 и 2 — работает штатно, а вот vmin, равный vmax, превращает формулу в деление на ноль.

Пара нюансов из практики. Отрицательные значения — не проблема: map переваривает отрицательные края, диапазон от минус двадцати до плюс сорока даст график и мороза, и жары. Нелинейные датчики сначала пересчитывают в физику — термистор в градусы, газ в проценты, — и только потом масштабируют: рисовать сырые единицы АЦП на осях прибора я себе запрещаю, потому что через месяц никто, включая меня, не понимает, что там нарисовано.

Кольцевой буфер — массив на N точек и указатель записи: buf[head] = v; head = (head + 1) % N. Читаете от старейшей: элемент i лежит в (head + i) % N. Перезаписывается всегда самое старое значение — сдвигать массив циклом не нужно, в этом вся магия кольца. 64 точки int — 128 байт ОЗУ; рядом с 1024-байтовым буфером дисплея на Uno каждый байт считается, мы это проходили в первом уроке раздела. Массивы и паттерны лога, если подзабылись, — в уроке про массивы.

Период выборки выбирает, что вы увидите: 64 точки раз в секунду — чуть больше минуты истории; раз в 30 секунд — полчаса; раз в 5 минут — больше пяти часов. Чаще — живее реакция, но короче окно. Моё правило: период должен быть в десять-двадцать раз больше самого быстрого процесса, который вы хотите рассмотреть, иначе график превращается в сплошной шум.

Если нужен второй график на том же экране — буфер делится пополам: 32 точки на левую половину и 32 на правую, шаг в один пиксель. А если значения гарантированно влезают в 0–255 — экономьте вдвое: массив из byte вместо int, 64 байта вместо 128. На Uno такие решения принимаются не из педантичности: буфер дисплея уже забрал свою половину ОЗУ, и каждый следующий массив ведёт переговоры с остатком.

Отрисовка — полилиния: drawLine(x, yPrev, x + 2, y) между соседними точками, 63 линии на кадр. Каждая линия стоит единицы микросекунд процессора: примитивы GFX — это циклы по drawPixel, и грузит не рисование, а передача кадра — около 92 мс по I2C при 100 кГц, как в уроке про цену кадра. Поэтому кадр собирается в буфере и уходит целиком одним display() — механика разобрана в уроке про двойную буферизацию.

Обновление — раз в секунду по разности millis, без delay, чтобы опрос кнопок и датчиков не замирал: планирование без задержек здесь обязательный фон. И честное слово вместо рекламного: это самописец, а не осциллограф. Событие быстрее пары десятков миллисекунд он пропустит — выборка раз в секунду о нём просто не узнает. Для быстрых фронтов берут шаг в 1 пиксель, SPI вместо I2C и выборку десятки раз в секунду; для температуры комнаты мой формат — раз в секунду или реже.

Автодиапазон — отдельная развилка: минимум и максимум по буферу с мёртвой зоной в 3–5 единиц, иначе масштаб дёргается от шума в каждой новой точке. Для стационарного прибора я держу фиксированный диапазон — подписи осей честные и не перескакивают; автодиапазон оставляю отладке, когда диапазон датчика заранее неизвестен.

Посчитаем долю времени, которую график отнимает у шины. Кадр — около 92 мс при 100 кГц; обновление раз в секунду — это 9 процентов занятой шины, и датчикам на тех же проводах остаётся остальное. Разгон до 400 кГц ужимает кадр до 23 мс — уже 2 процента, но требует коротких проводов и живых подтяжек. А вот обновление раз в 100 мс при 100 кГц — это 92 процента: шина практически занята целиком, и любой сосед по I2C начинает захлёбываться. Числа считаются в одну строку — держите их в голове, прежде чем крутить частоту обновления.