График с датчика: бегущая лента точек и автоскейл

Подключил я однажды к самописцу датчик температуры в теплице: за сутки он гулял от 24,0 до 25,3 градуса. А график стоял ровный, как линия горизонта. Виноват был мой же map(v, 0, 1023, 60, 4): весь ход аналогового входа растянут на экран, и живой сигнал в два с половиной градуса сжался в два пикселя у середины. Шкала «на весь диапазон датчика» хороша, пока диапазон реально используется; как только прибор работает в узкой полосе, нужна шкала по факту окна — минимум и максимум именно тех точек, что сейчас на экране. Ремесло это называют автоскейлом, и сегодня я разбираю его целиком: расчёт границ по буферу, поле сверху и снизу, мёртвая зона против дрожи и страховка от равных границ.

Основа знакома: кольцевой буфер последних N значений и перерисовка по факту новой точки — механику кольца и оси мы собирали в уроке про самописец с буфером, а осциллографный вариант с триггером и стоп-кадром живёт в отдельном уроке. Новое здесь две вещи: рисование лентой точек вместо полилинии и шкала, которая сама подстраивается под данные.

Разберём расчёт границ, полный скетч ленты и разбор граблей: дрожащая шкала, деление на ноль и подписи, которые делят колонки с точками.

Автоскейл — это два числа, посчитанные перед каждым кадром: vmin и vmax по всем точкам буфера. Дальше знакомый map, только границы не константы, а эти числа с запасом: map(v, vmin - pole, vmax + pole, 60, 4). Поле — пять-десять процентов размаха, я беру pole = (vmax - vmin) / 10 + 1: без него самая высокая точка прижимается к y = 4 и визуально сливается с подписью максимума, а при новом рекорде точка вообще выскакивает за рассчитанный ряд. С полем точка-рекорд ложится у края, но не на нём, и шкала готова к следующему подъёму.

Первый подводный камень сидит в самих границах: если датчик стоит на месте, vmin и vmax равны, и map получает нулевой знаменатель. Целочисленное деление на ноль в C++ даёт непредсказуемый результат, и на AVR это оборачивается мусорной геометрией точек. Страховка на три строки: если vmax - vmin меньше восьми единиц, раздвинуть границы — vmin -= 4 и vmax += 4. Второй камень — дрожь: считать границы по каждому кадру честно, но шумный датчик заставит шкалу прыгать каждые двести миллисекунд, и график будет «дышать» даже при стабильном сигнале. Лечение — мёртвая зона, о ней ниже в рамке.

Разбор по числам. Буфер 64 точки int — 128 байт ОЗУ, рядом с килобайтным буфером дисплея на Uno это чувствуется, но пережить можно; кольцевую запись и чтение от старейшей точки разбирали в уроке про массивы и журналы. Выборка и кадр идут на одном такте 200 мс: окно истории — 64 умножить на 0,2 секунды, около тринадцати секунд. Подписи vmax сверху и vmin снизу делят крайние колонки с точками ленты — цена компактности; если это мешает, сдвиньте ленту на x = 12 и потеряйте шесть точек окна.

Мёртвая зона работает так: пересчитывать vmin и vmax можно каждый кадр, но применять новый масштаб только когда точка вышла за текущие границы или размах сжался на треть от прежнего. Без неё шкала реагирует на каждый шумовой выброс, с ней — на настоящий тренд. Для прибора, который работает без присмотра, я ставлю именно второй вариант; для отладки на столе сходит и голый пересчёт — дрожь на глазах даже полезна, она показывает качество сигнала.

Лента точек рисует каждый отсчёт одним drawPixel и ничего между ними. Полилиния из drawLine, как в самописце из прошлых уроков, соединяет соседние точки отрезками — и на редких отсчётах начинает рисовать то, чего не было: между двумя замерами через секунду линия провела бесконечно много «значений», которых датчик не показывал. Для медленных процессов — температура почвы, уровень воды — это косметика, для всего, что прыгает, — враньё. Правило у меня такое: период выборки меньше времени наибыстрейшего изменения сигнала — можно линии; иначе только точки. Цена вопроса копеечная: drawPixel стоит те же единицы микросекунд, а узкое место всё равно шина — полный кадр по I2C на 100 кГц идёт около 92 мс, как в замере FPS и цены кадра.

Что попробовать в симуляторе: выкрутите ручку в край и подержите — лента съедет, а границы lo и hi подтянутся к новому плато через пару секунд, поле по краям сохранится. Потом верните ручку резко: старые точки у краёв уйдут из окна, и шкала сожмётся следом. Это и есть автоскейл глазами: график всегда использует всю высоту, что бы ни делал датчик. На плате тот же алгоритм рисует пиксели: цикл по буферу, drawPixel на каждом шаге, один display() на кадр.

Готовый пример прибора с графиком на борту — монитор батареи в уроке про график от АКБ: там шкала фиксированная, потому что напряжение известно заранее, и это второй честный ответ на вопрос о масштабе — не всегда автоскейл нужен, но выбор обязан быть осознанным.