Живой график на OLED: drawLine и скроллящийся буфер

Самописец давления в гараже я собирал по уроку про график датчика: кольцевой буфер, полилиния, обновление раз в секунду. Работал он безотказно, но шкала была пришита намертво — map на весь ход АЦП, 0-1023 в высоту экрана. Рабочий ход датчика — пять-шесть единиц, и кривая лежала в трёх нижних строках плоской чертой: события на ней были, разглядеть их было нельзя.

Лекарство — живая шкала: минимум и максимум пересчитываются по окну истории, и кривая каждый кадр растягивается ровно на высоту графика. Тот же трюк встроен в Serial Plotter с рождения, но плоттер ПК живёт за компьютером, а прибор на стене гаража — сам по себе. Здесь разберу арифметику автоскейла, сетку с честной ценой деления и среднее по окну — плюс граблю, на которой среднее уезжает в минус.

Каркас самописца менять не будем: кольцевой буфер и планирование по millis остаются как были. Нового — скан min/max, вертикали сетки, черта среднего и кнопка, которая временно пришпиливает шкалу к фиксированному диапазону, чтобы разницу почувствовала рука.

Живую шкалу я сначала недооценил и городил её поверх готового графика отдельным слоем правок — вышло громоздко и глючно: правки лезли в три места кадра. Вторая версия, при которой скан краёв и пересчёт сидят в начале risujKadr, заняла двадцать строк и работает без правок год. Мораль простая: масштаб — это часть отрисовки, а не надстройка над ней, и место ему — в начале функции кадра.

Автоскейл — один проход по буферу перед каждым кадром: два сравнения на точку, для 64 точек — сотня с копейками операций, микросекунды. Дешевле не бывает, поэтому сканировать можно хоть каждый кадр. Дальше два решения, и оба важно принять осознанно. Первое — мёртвая зона: край шкалы переезжает только когда сигнал ушёл за него на три-пять единиц, иначе на ровной линии шкала дышит от каждого пикселя шума и график выглядит дрожащим. Плавный подгон краёв мы уже проходили в уроке про ленту точек с автоскейлом — там же приём с задержкой сжатия.

Второе — цена деления. Вертикальная сетка каждые 16 пикселей даёт восемь колонок, и подпись шкалы обязана быть круглой: живой диапазон 12-74 единицы не подписывают, его округляют до 10-80 и делят на восемь — по 8-10 единиц на клетку. Глаз читает график только через круглые шаги; подпись «7,5 ед/клетка» я себе запрещаю: через месяц никто, включая автора, не расшифрует.

Базовую линию прижимайте к y=62, а не к 63: ось y растёт вниз, и нижняя строка уходит под подписи — базовый шрифт 6×8 занимает ровно строку. Подписи ставьте фактические, по краям окна: шкала, которая гордо пишет 0 и 1023 при живом диапазоне 12-74, врёт по-крупному — вся точность графика стоит не дороже подписей под ним.

Шаг между точками подбирайте вместе с длиной буфера: 64 точки на 128 пикселей — шаг два и сплошная кривая; 32 точки — шаг четыре с просветами, и глаз читает такой график как ломаную, а не как линию. Двойной шаг на тот же буфер растягивает окно вдвое без потери читаемости, но точки перестают быть событиями и становятся трендом — выбирайте, что вам нужно увидеть: скачок или ход процесса.

Вертикали сетки — drawLine(x, 2, x, 61) каждые 16 пикселей: четыре линии на экран, и график от них только выигрывает, глазу нужен масштаб, как линейка на чертеже. Горизонтальную сетку я не ставлю — полосы сливаются с кривой; вместо неё черта среднего: одна drawLine по высоте суммы окна, и на ней сразу видно, уходит ли процесс от нормы. При плотном шаге в один пиксель линии становятся толще кривой — тогда переходите на drawPixel и рисуйте точки: они честнее показывают плотность выборки, осциллограф из урока про analogRead построен ровно так.

Пара слов о том, чего сетка не прощает. Линии ставьте тусклее кривой визуально — в монохроме это значит короче: сетку от y=6 до y=58, кривую во всю высоту 2-61. Пиксель, где сетка и кривая совпали, всё равно белый, и глаз читает совпадение как узел на линейке — это к лучшему. А вот подписи поверх сетки я ставлю только в нижней строке: в поле графика любой текст — это место, где кривую уже не видно.

Среднее — полезная и коварная штука. Считается оно суммой окна, а int на Uno — 16 бит со стеклом в 32767: 33 замера по 1000 уже выбивают дно, а полный буфер АЦП-значений — 64 × 1023 = 65472 — пробивает его дважды. Сумма уезжает в минус, черта среднего рисуется под базой, и выглядит это как сбой графика, хотя график ни при чём. Считайте в long: четыре байта вместо двух, и тема закрыта; если экономите каждый байт, держите точки в byte и складывайте всё равно в long.

Порядок внутри кадра держите постоянным: скан краёв, сетка, черта среднего, кривая, подписи, display(). Перестановка шагов скетч не сломает, но кривая, проложенная после подписей, затрёт их линиями: в одно-битном буфере белый пиксель поверх белого не различить, и строка min-max превращается в кашу. У меня порядок кадра выбит в комментариях над risujKadr — соседи по проекту читают его как оглавление.

Кольцевой указатель здесь экономит и время, и нервы: новая точка пишется в голову, указатель крутится по модулю N, и сдвигать массив циклом не нужно никогда. Для отрисовки при полном буфере старейшая точка сидит как раз в голове — обход (golova + i) % N даёт хронологию слева направо. Пока буфер не заполнен, рисуем только накопленное: график растёт слева, как и ожидает глаз. Обновление по millis держит кадр раз в 500 мс: передача буфера занимает 25-30 мс, и два кадра в секунду съедают около пяти процентов шины — соседям по I2C хватает. Планировщик тот же, что всегда: millis вместо delay, никакого блокирующего кода.

Кнопка на D2 заслуживает отдельного абзаца, потому что выглядит излишней: зачем фиксировать шкалу, если живая всегда лучше? Затем, что живая шкала врёт о скорости процесса: сигнал, медленно сползающий на десять единиц, на растянутой шкале выглядит обвалом. Фиксированный диапазон — это мера длины, и переключение между ними я делаю одной кнопкой, как на осциллографе: щёлк — и кривая рассказывает правду о масштабе, ещё щёлк — снова детали.

Крутите ручку медленно — кривая дышит, края окна догоняют сигнал с зажатой мёртвой зоной, подпись сверху показывает, на чём именно стоит шкала. Клик кнопки пришпиливает диапазон к 0-1023: кривая сжимается в пару строк у базы, и вот наглядный ответ на вопрос, зачем вообще автоскейл. Черта среднего двигается вдвое-втрое ленивее кривой — в этом её ценность: она показывает тренд, а не дрожь, и следить за ней стоит отдельно от звёздочек.

Обратите внимание на момент, когда буфер только заполняется: график растёт слева направо, не пытаясь растянуть три точки на всю ширину. Если хочется обратного поведения — тянуть частичное окно на весь экран, — считайте края и шаг по колонкам от zapolneno, но подписи min/max оставьте фактическими. И следите в Serial за числом v=: экран и числа всегда должны рассказывать одну историю — если черта среднего ушла под базу, а v= положительное, вы поймали переполнение int на живом приборе.

Ручка A0 в макетке стоит за любой медленный датчик: термистор, LDR, газ — что угодно с плавным ходом значений. Попробуйте сыграть в прибор: поднесите кривую к верхнему краю и держите — шкала догонит и обожмёт; резко бросьте вниз — края останутся наверху на три-пять единиц, пока мёртвая зона не поверит в новый уровень. Это не недоработка, а именно то поведение, которое делает график читаемым на реальном дрожащем сигнале.

Память на буфер тоже считается заранее: массив int на 64 точки — 128 байт, а буфер дисплея уже забрал свою тысячу из двух килобайт Uno — раскладка ОЗУ посчитана в уроке про буфер кадра. Значения 0-255 укладывайте в byte — экономия ровно вдвое, а сумма всё равно держится в long.