Прерывание от RTC: пробуждаем Arduino

Уличный термометр на Nano я запитал от банки 18650 и первые сутки любовался аккуратными строками журнала раз в секунду. Через восемь дней батарейка села, и вдуматься в это было полезнее, чем жалеть банку: скетч работал по схеме «печать — delay(1000)» — и все эти восемь дней процессор на 16 МГц молотил полные обороты, хотя полезной работы было меньше процента. Ножки мультиметра показали честные 44 мА: обычная плата Uno или Nano ест столько же и при активной работе, и с delay, потому что delay не усыпляет процессор — он просто крутит цикл в ожидании. При 45 мА банка на 2600 мАч живёт около двух суток, а мне обещал неделю минимум.

Экономия на ладони: между делами процессор нужно усыплять целиком, и будить его по факту события, а не по программному будильнику. Событие «прошла секунда» идеально отдаёт та же коробочка, что и ведёт календарь, — модуль часов. У DS3231 для этого есть отдельный вывод, и в этом уроке мы повесим его на внешнее прерывание: каждую секунду чип сам щёлкает ножкой, а плата в это время спит и ест микроамперы вместо миллиампер. Про то, чем программный счёт времени принципиально отличается от аппаратного, я уже писал в уроке про millis и RTC — сейчас та же разница превратится в дни жизни батареи.

На плате модуля DS3231, кроме привычных SDA/SCL и батарейки, обычно разведены два дополнительных вывода. 32K выдаёт непрерывные 32768 Гц — эталон для внешних счётчиков, его мы трогать не будем. А вот SQW — наш герой: микросхема умеет отдавать наружу прямоугольник на 1 Гц, 1, 4 или 8 кГц. Принципиально то, откуда берётся эта частота: из того же термокомпенсированного генератора, что крутит календарь, — а его уход мы считали в уроке про точность DS3231 и получили порядка ±2 ppm, то есть секунды за год. Сравните с керамическим резонатором самой Arduino, у которого допуск до ±0,5%: программный delay(1000) плывёт на минуты в сутки, а секундный тик SQW стоит как вкопанный.

Выбор частоты — это биты RS2 и RS1 в регистре управления 0x0E, и руками туда лезть не обязательно: у RTClib есть метод rtc.writeSqwPinMode(). В свежих версиях библиотеки константа называется DS3231_SquareWave1Hz, в старых — DS3231_1Hz; если компилятор не узнал имя, загляните в enum Ds3231SqwPinMode внутри RTC_DS3231.h и возьмите написание оттуда. Один нюанс на перспективу: эта же ножка у DS3231 совмещена с выходом будильников — когда поднят бит INTCN, на ней вместо прямоугольника появляется сигнал будильника из урока про часы с будильником. Один пин — две роли, и writeSqwPinMode как раз переключает режим целиком.

Где такой метроном пригождается на практике? В настольных часах на LCD тик раз в секунду будит плату для перерисовки двоеточия — между обновлениями экран можно не трогать вовсе. В логгере тик заменяет частый опрос: запрос now() с чтением семи регистров занимает около миллисекунды на стандартных 100 кГц шины — делаете его по факту тика, а не каждые 50 мс в свободное время, и I2C дышит в двадцать раз реже. И третий случай — счётчики наработки: тик идёт независимо от вашего кода, поэтому сумма тиков за сутки честнее суммы delay-интервалов, каждая из которых плывёт по резонатору платы.

Схема — три провода: SQW модуля на пин 2 Arduino, общая земля, питание остаётся как было. Почему именно пин 2: на Uno аппаратные внешние прерывания есть только на D2 и D3 — это мы разбирали в уроке про attachInterrupt, здесь правило то же. А вот режим стоит выбрать осознанно: вывод INT/SQW у DS3231 сделан по схеме открытого стока, то есть он умеет только притягивать линию к земле, а в HIGH её должен тянуть кто-то другой. Подтяжку ставим внутреннюю — pinMode(2, INPUT_PULLUP), и линию внешней парой резисторов нагружать не нужно. Итоговая картинка сигнала: спокойная секунда на HIGH, затем чип роняет линию в LOW — и так каждую секунду. Ловим не нажатие, а именно падение: attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), обработчик, FALLING).

Дальше — сон. Библиотека LowPower ставится из менеджера библиотек одной кнопкой, и её вызов LowPower.powerDown(SLEEP_FOREVER, ADC_OFF, BOD_OFF) усыпляет ATmega328P до внешнего прерывания: loop останавливается прямо на этой строке, чип просыпается на фронте с SQW, доигрывает loop до конца и засыпает снова. С токами честно так: голый микроконтроллер в power-down берёт единицы микроампер, а вот готовая Nano или Uno продолжит есть свои 40–50 мА даже во сне — стабилизатор, USB-чип и светодиод питания не умеют спать. Поэтому для настоящих батареечных проектов берут Pro Mini и выпаивают у него LED и стабилизатор: в стоке он тоже молотит миллиамперы, а после операции опускается к десяткам микроампер. Соседний раздел про watchdog и сон покажет ещё пару ступеней экономии без внешнего модуля.

Считаем скважность, чтобы понять, зачем всё затевалось: проснувшись, скетч читает DateTime по I2C (около миллисекунды) и может что-то напечатать — на 9600 бод символ стоит около миллисекунды, строка из двадцати символов отнимает двадцать. Итого десятки миллисекунд работы на секунду между тиками: процессор бодрствует меньше двух процентов времени, остальные девяносто восемь спит. Мой уличный термометр после переделки прожил на банке 18650 шесть недель вместо восьми дней — почти ровно пропорционально скважности, остаток съедают утечки обвязки и сам модуль часов с его микроамперами.

Строки из симулятора читаются так: tiki_za_son — сколько фронтов пришло за три секунды «сна» loop, vsego — суммарный счётчик, front_na_ms — миллисекунда последнего фронта. Щёлкните кнопкой в момент сна и убедитесь, что строка всё равно появляется: обработчик отработал, пока основной код стоял в delay. На плате механика та же, только delay заменён powerDown: фронт с SQW дёргает прерывание даже в глубоком сне — это единственный будильник, который его там слышит.

Два правила из кода переезжают на плату без правок. Обработчик занимает две строки: инкремент и запоминание millis() — все медленные дела (чтение DateTime, печать, решения) остаются loop, а прерывание только сообщает «было событие». И volatile на обоих счётчиках: без него компилятор имеет право закэшировать значение в loop, и вы вечность будете смотреть на ноль при живом счётчике — та же ловушка, что и в уроке про attachInterrupt, и слово volatile обязано стоять на тех же местах.

Секундный метроном — это фундамент, на который уже хорошо ложится календарная логика. Тик говорит «прошла секунда, можно делать дела», а дальше решает расписание: какие дни недели поливные, какое окно утром, был ли уже полив. В следующем уроке соберём именно это — таймер полива на неделю поверх DateTime — и выясним, зачем окно из двух часов надёжнее точного момента «в 7:00:00». А если ваш проект будит плату не каждую секунду, а раз в сутки, перечитайте будильники DS3231: тот же сон, но срабатывание по календарю, а не по метроному.