Дребезг изнутри: что происходит в контакте за 20 миллисекунд

Счётчик нажатий на дверном замке я повесил на пин D2 и за вечер получил загадку: пять нажатий пальцем, а Serial честно напечатал тринадцать. Скетч был трёх строк, пересматривал его дважды — в скетче всё сходилось. Виноват оказался не код: пин докладывает ровно то, что делает контакт, а контакт после соударения пластинок ещё несколько миллисекунд подпрыгивает, как монетка на столе. В базовом уроке про антидребезг уже лежит готовый рецепт с окном — я не пересказываю его, а спускаюсь этажом ниже: почему железо вообще так себя ведёт, сколько длится дребезг у разных кнопок и от чего это число зависит. И отдельно — почему delay(200) из форумных советов бьёт по скетчу сильнее самого дребезга.

Ставка урока — увидеть дребезг в цифрах, а не на словах. Соберём в одном скетче два счётчика: сырой, который глотает каждый переход уровня, и чистый с окном на millis. Сравним показания, посчитаем цену костыля и выведем правило подбора окна под свою кнопку. Всё, что нужно железно, — кнопка на D2 со встроенной подтяжкой и светодиод на D12, как в самой первой кнопке из базовых уроков.

Внутри тактовой кнопки нет никакой электроники — есть две упругие металлические пластинки и толкатель. При нажатии пластина прогибается и шлёпает на ответный контакт. Первый удар замыкает цепь, но пластина упругая: она отскакивает, бьёт снова, снова отскакивает — и каждое соударение для цифрового входа выглядит как настоящий переход уровня. Длится эта возня у фабричных тактовых кнопок обычно 1-10 мс; у дешёвых кнопок из наборов и у изношенных экземпляров отскоки дотягивают до 20 мс, а старые тумблеры и затёртые микрики дают паузы и до 50 мс. Число плавает от экземпляра к экземпляру, от температуры и от силы нажатия — поэтому окно защиты подбирают на своей кнопке, а не переписывают из чужого скетча.

Второй враг, о котором базовые уроки молчат, — оксидная плёнка. Контакты сигнальных цепей пропускают микроамперы и доли миллиампера, а при таком токе плёнка окислов на металле не пробивается: контакт то замкнут по-настоящему, то висит на полупроводящей корке. В промышленности это лечат током самоочистки — через концевик гоняют хотя бы 10-20 мА, чтобы поверхность подгорала и чистилась при каждом замыкании. Кнопка на пине Arduino живёт при сотнях микроампер через подтяжку, поэтому позолота на контактах хорошей кнопки — не эстетика, а выживание. Если кнопка после полугода в ящике начала срабатывать через раз, вы поймали именно плёнку.

Теперь масштаб со стороны платы. Uno на 16 МГц прокручивает пустой loop() десятки тысяч раз в секунду, один digitalRead стоит единицы микросекунд. За 15 мс дребезга скетч успевает спросить пин две-три тысячи раз — и каждый скачок уровня в этом хаосе честный по меркам входа. Ни одна умная обработка уровня не уберёт дребезг сама: вход сообщает правду, просто правда у контакта своя. Хорошая новость в том, что отскоки короткие и предсказуемо живущие сразу после события: они не разбросаны по времени нажатия, а кучкуются в первых миллисекундах. Именно на это кучкование и работает окно: сигнал обязан продержаться, а случайные иголки — нет.

Проверка стоит копейки и десяти минут. Скетч ведёт два счётчика рядом. Сырой считает каждый спад уровня — любой фронт, каким бы коротким он ни был, включая все отскоки. Чистый принимает нажатие, только когда уровень простоял стабильным 30 мс: окно берёт отсчёт от последней смены уровня, а не от момента события — это важная разница, из-за которой наивная пауза после нажатия ловит не всё. Светодиод щёлкается принятыми нажатиями, Serial печатает бегущие цифры. Для чтения чисел из монитора пригодится урок про parseInt и числа в Serial — там, где захотите слать пороги с компьютера.

Каждый принятый клик печатает пару clean=… raw=… — читается она так: clean считает настоящие нажатия, raw держит всё, что проскочило через прерывание. Пока палец на кнопке, разница между ними не растёт: окно принимает первое нажатие и отсекает повторы до отпускания, а сырой счётчик за это время успевает доесть все отскоки замыкания. Основная дельта копится в момент нажатия — там и смотрите. Ещё полезно погонять кнопку с разной скоростью: у медленных нажатий отскоки виднее, потому что контакт мягко докатывается, а не хлопает с размаха.

На моей макетке с кнопкой из набора за сто рублей пять нажатий дали clean=5 и raw=13 — отскоки по два-три на каждое замыкание. Соседний экземпляр с позолоченными контактами показал одинаково. Оговорка честности: повторите это на своей кнопке — у каких-то экземпляров сырой счётчик уезжает вдвое, у отслуживших своё впятеро. И заметьте направление вранья: сырой счётчик врёт только вверх. Отскоки не съедают нажатия, они их плодят, поэтому у дребезга нет режима «кнопка промолчала, когда нажали» — есть режим «нажали один раз, посчитали пять».

Отсюда же видно, почему лечить дребезг логикой на уровне бесполезно: любой if вокруг digitalRead видит те же тысячи честных переходов. Рабочие места атаки два — время (окно: сигнал обязан продержаться) и частотная фильтрация (RC-цепочка, ей посвящён второй урок этого кластера). Прерывание сюда тоже относится, но со своими запретами: там delay и Serial под полным запретом, а приём отсечки по millis внутри обработчика разобран в уроке про антидребезг в прерывании.

Самый частый совет на форумах: поймали нажатие — засните на 200 мс. Дребезг действительно уходит: все отскоки короче паузы, и спящему скетчу нечего посчитать. Теперь числа. Реальному дребезгу хватает 10-20 мс; пауза перекрывает его с запасом в десять-двадцать раз, то есть девяносто и больше процентов паузы работают впустую. Каждый клик глушит loop() на пятую долю секунды: Serial, датчики, экран, мигалки — всё стоит. Быстрые нажатия чаще пяти в секунду теряются целиком: палец жмёт, а скетч ещё досматривает сон с прошлого раза. Заодно заметьте асимметрию: пауза защищает только то, что случилось до неё — отскоки отпускания, случившиеся после пробуждения, она пропускает без разговоров, и для честного счёта её пришлось бы лепить на оба фронта.

В скетче с одной кнопкой и одним светодиодом цена невидима, и я не буду ханжой: для мигающего примера delay(20) после детекции — честный выбор, одна строка без единой переменной. Ломается всё в приборе: три кнопки с delay-защитой превращают петлю в очередь ожиданий, три нажатия подряд — полсекунды мёртвого времени, опрос датчика дрожит в такт пальцу. Добавьте сюда дисплеи с обновлением кадра за десятки миллисекунд и зуммеры с тонами — и паузы начнут складываться в слышимые рывки интерфейса. Механику петли без единого delay я разбирал в уроке про кооперативный цикл, а переворот пауз на таймеры — в уроке про millis вместо delay.

Есть и экзотический тупик, на котором люди теряют вечер: delay внутри обработчика прерывания на AVR не просто плохо — он вешает плату насмерть. delay ждёт тики таймера, а тики стоят, потому что прерывания закрыты: со стороны это выглядит как зависший кристалл. Ту историю с застывшим временем я рассказывал в уроке про ISR по ссылке выше — там же приём, который работает там, где delay умирает. И последнее: окно на millis переносится между кнопками в класс — так собран класс Button из урока про ООП, где три кнопки живут на трёх объектах, а не на шести парах переменных.