micros() и точные замеры: микросекунды в проекте

Парковочный помощник для полки в гараже был моим третьим проектом с дальномером HC-SR04: один модуль и лесенка из светодиодов — зелёный, можно ехать, красный, стоп. В даташите к модулю было написано: длительность эха в микросекундах поделите на 58, получите сантиметры. Откуда 58 — не объяснялось, и я захотел проверить формулу сам. Упёрся сразу: мой измерительный арсенал был пуст. millis() на импульс эха длиной 11 600 мкс честно отвечала нулями — для неё это меньше одного тика.

И правда: эхо для препятствия в 20 см живёт около 11 600 мкс — это 11,6 мс, меньше полутора тиков millis(). Показания будут прыгать между 11 и 12 мс, и каждый мс ошибки — это почти 2 см расстояния. А всё, что короче миллисекунды — импульсы ИК-пультов, хвосты ШИМ, сигналы датчиков, — для millis() не существует вовсе: секундная стрелка не видит взмаха крыла.

Микроскоп в Arduino уже встроен. Функция micros() возвращает микросекунды с того же запуска, что и millis(), с разрешением в 4 мкс, а pulseIn() — готовый секундомер длительности одного импульса. В этом уроке: откуда берутся те самые 4 мкс, почему micros() доживает до переполнения всего за 71,6 минуты, как pulseIn устроен изнутри и что он делает с loop, пока ждёт. Практика — дальномер с честной формулой us/58 и проверкой на ноль.

millis() и micros() растут из одного корня — таймера Timer0. На Uno кварц 16 МГц, предделитель у Timer0 — 64, значит таймер тикает каждые 16 МГц / 64 = каждые 4 мкс и переполняется за 256 тиков — примерно каждые 1024 мкс. micros() читает счётчик таймера и пересчитывает его в микросекунды — отсюда и шаг ровно 4 мкс, мельче не бывает, сколько ни проси. millis() считает те же переполнения: 1024 мкс — это почти, но не ровно 1 мс, поэтому ядро Arduino копит дробную часть, чтобы средняя скорость оставалась честной секундой в секунду.

Цена разрешения — срок службы. micros() возвращает unsigned long: 32 бита микросекунд — это 4295 секунд, 71,6 минуты. Через час с небольшим счётчик склеивается и идёт с нуля. Разность двух меток через беззнаковое вычитание остаётся верной и через склейку — тот же приём, что с millis() и её 49,7 сутками из урока про millis() вместо delay. Ломается другое: метка, сохранённая «на потом». Разница больше 71,6 минуты — враньё: замеры микросекундами живут в масштабе кадров loop, не часов.

Второй сюрприз — внутри прерываний. millis() в обработчике не растёт: её обновляет то самое прерывание Timer0, а вложенные прерывания на AVR запрещены. micros() читает счётчик таймера напрямую и в обработчике живёт. Поэтому длительность короткого импульса можно ловить в прерывании attachInterrupt: зафиксировал micros() на фронте, зафиксировал на спаде, разность — длительность. Импульсы короче десяти микросекунд опросом из loop не поймать вовсе — там прерывание без вариантов.

pulseIn(pin, level, timeout) — готовый секундомер одного импульса. Внутри это цикл «все бросаем и ждём»: функция крутится на digitalRead, ловит нужный уровень, запоминает micros(), ждёт противоположный уровень и отдаёт разность в микросекундах. Пока импульс идёт, loop не крутится: опроса кнопки нет, печати нет, ничего нет. Третий аргумент — таймаут в микросекундах; без него pulseIn ждёт целую секунду. Не дождались — возвращает 0.

Для HC-SR04 всё сходится. Скетч посылает триг 10 мкс, модуль орёт ультразвуком, звук летит до препятствия, отражается, возвращается — и длительность его эха пропорциональна расстоянию. Звук идёт 343 м/с, это 0,0343 см за микросекунду; волне нужно пройти туда и обратно, двойной путь, поэтому один сантиметр расстояния — это 58,3 мкс эха. Отсюда даташитовское «дели на 58». Про ШИМ из урока про analogWrite та же математика: при 490 Гц период 2041 мкс, и длительность высокого уровня при половинном заполнении — примерно 1020 мкс, pulseIn такое видит насквозь.

Точность pulseIn ограничена снизу тем самым digitalRead: каждый шаг опроса стоит около 5 мкс, поэтому длительность измеряется с пятном порядка ±10 мкс — это ±0,17 см расстояния. Для парковки — избыток с запасом. И про аналоговые величины отдельная строка: analogRead занимает около 112 мкс на один замер, так что чаще тысячи опросов в секунду аналоговый вход не имеет смысла — быстрее его физика не разрешает.

pulseIn — не единственный способ. Когда импульс надо поймать в контексте — например, отмерить, сколько длится собственный digitalWrite, — включают ручной секундомер: метка t0 = micros() перед делом, метка t1 = micros() после, разность — и есть замер. Так я однажды честно померил digitalWrite: вышло около 5 мкс на запись — впритык к шагу самих micros(), поэтому честнее говорить «4–6 мкс». Разность двух меток во много раз точнее одиночного показания: оба показания дрожат одинаково, и дрожь уходит в вычитание.

Три правила ручного секундомера, каждое — с грабли. Первое: никакого Serial.print внутри замера — один символ на 9600 бод стоит около миллисекунды, и печать между метками разорвёт измерение на тысячи микросекунд; сначала меряем, потом печатаем. Второе: паузы на время замера — только delayMicroseconds(): обычный delay() даже с единицей занимает миллисекунду, а delayMicroseconds() точен до такта — но живёт до 16383 мкс, для трига дальномера хватает с запасом, для длинных пауз он не предназначен. Третье: одиночный замер ничего не значит — только серия из десяти с минимумом и средним: первый прогон часто попадает на прерывание Timer0 и врёт на 4–8 мкс. Так меряем всё, что короче миллисекунды, и не верим ни одному одиночному числу — включая мои.