Почему UART глючит: провода, скорости и общий GND

Осенью я повесил на кухне датчик температуры и протянул сигнал в комнату восьмиметровым проводом — старой телефонной лапшой из кладовки. На столе всё разговаривало безупречно, а на кухонной линии примерно раз в сорок секунд в логе всплывала строка вида t=2#7 hum=41: один-два байта из двадцати четырёх приезжали битыми. Три вечера я пересобирал датчик, менял библиотеку, перешивал плату — а виноваты были провод, скорость и моя привычка держать 115200 везде, где влезет. Этот урок про то, как я потом нашёл виновника за двадцать минут, и про трёх подозреваемых, которых надо допрашивать первыми: земля, скорость, провода. Список не случайный: в девяти глючных линиях из десяти, которые я разбирал после, виновник жил в этой тройке, а не в скетче.

Договоримся о карте. Сначала разберём, как физически ломается байт: без общего GND приёмнику не от чего мерить напряжение, а каждая наводка от реле или блока питания вырывает бит из посылки. Потом — методика диагностики: пять шагов от перемычки до причины, которые я теперь делаю по порядку, и почти всегда виновник находится на втором. Соберём loopback-тестер на SoftwareSerial из урока про второй порт, а в конце сломаем линию руками в симуляторе: модель позволяет выкручивать землю, длину и скорость и смотреть, что каждая беда делает с посылкой.

Механика простая, и я жалею, что не врезал её в голову раньше. Линия UART в покое держит высокое напряжение: передатчик молчит — на проводе 5 вольт (у ESP32 — 3,3). Стартовый бит роняет линию в ноль, дальше идут восемь битов данных, стоповый бит возвращает высокое. Приёмник замеряет провод в середине каждого бита. Если общего GND нет, приёмнику не с чем сравнивать: он меряет напряжение относительно своего локального нуля, а тот плывёт вместе с потреблением платы. Итог — не отказ связи, а случайные нули и единицы: приёмник честно собирает байты из воздуха. Крест-накрест и третий провод из урока про связь двух плат — не рекомендация, а физическое условие работы канала.

Скорость бьёт по каналу иначе. Байт в UART — это десять битов: старт, восемь данных, стоп. На 9600 бод бит стоит 104 микросекунды, байт — около миллисекунды. На 115200 бит уже 8,7 мкс, и наводке от щёлкнувшего реле достаточно растянуться на пару микросекунд, чтобы приёмник прочитал чужой ноль там, где ждала единица. Моё правило с границей: всё, что короче полуметра на макетке, живёт на 115200 без вопросов; всё, что длиннее полуметра, — 9600; всё, что дальше трёх метров, — 9600 плюс скрутка сигнальных проводов между собой, чтобы наводка доставалась обеим жилам одинаково. От десяти метров и дальше я UART уже не тяну: там начинается территория RS-485 с модулями MAX485, но это отдельная история.

Отдельный вид мусора — рассинхрон скоростей, и его стоит уметь отличать от наводок. Если стороны договорились о разных темпах, приёмник заглядывает на линию в чужие моменты и собирает бессмысленные байты подряд — в мониторе это сплошная каша с первого же байта. Наводки выглядят иначе: девяносто процентов строк чистые, и лишь изредка в середине слова прорастает знак вопроса. Я разделяю их так: каша сплошняком — скорости; редкие битые байты — линия или земля. И помните про сторону компьютера: выпадающий список скоростей в мониторе проверяется за две секунды, поэтому начинать стоит именно с него.

Порядок, который я выстрадал. Шаг первый — сверить скорости: значение в Serial.begin с одной стороны и настройка монитора с другой; кракозябры из первого урока в девяти случаях из десяти растут отсюда. Шаг второй — loopback: передатчик соединяется с приёмником перемычкой, тестер шлёт слово и сверяет то, что вернулось. Эхо чистое — обе половины вашей платы здоровы, виновата линия или вторая сторона. Шаг третий — мультиметр между GND двух плат: должно быть почти ноль вольт. Я однажды нашёл между землями 1,8 вольта из-за зарядки в другом конце квартиры — вот и весь мусор.

Шаг четвёртый — укоротить линию до тридцати сантиметров. Самый быстрый разделитель: на коротком проводе мусор пропал — беда в линии, длина и наводки; не пропал — беда в настройках или железе. Шаг пятый — снизить скорость вдвое и повторить посылки: битые строки исчезли — вы держали скорость, которую линия не тянет. Пять шагов занимают меньше времени, чем один вечер перепрошивок наугад. Когда мусор всё-таки доезжает, его ловят контрольной суммой — мы это собирали в уроке про фрейм и CRC; здесь же цель другая: убрать причину, а не обнаруживать следствие.

Отдельная ремарка про диагностику пачками. Буфер приёма на Uno — 64 байта, и когда скетч занят delay или длинным циклом, входящие строки копятся в нём; переполнение выбрасывает новые байты мимо. Симптом напоминает глючную линию: обрезанные слова, полстроки, пропуски. Отличение простое: мусор от линии случаен по содержанию, а обрезка от буфера систематична — у неё страдает хвост длинной строки. Если тестируете длинными посылками на загруженном скетче, сначала проверьте, успевает ли loop вычерпывать порт: про очередь на 64 байта и вычерпывание мы подробно говорили в уроке про буфер UART.

В симуляторе линия тоже модельная: движок не гоняет байты по медному проводу, зато честно воспроизводит зависимость порчи от условий. Команда test SLOVO отправляет слово через модельную линию: в журнал уходят две строки — TX> то, что отправлено, RX> то, что получил приёмник. Порча в модели вероятностная: у каждого символа есть шанс превратиться в вопросительный знак, и шанс растёт с длиной провода и скоростью — ровно как у настоящего бита, которому наводке нужно поймать только середину.

Покрутите три беды руками: gnd 0 убирает общий провод — и портиться начинает почти всё; dlina 10 растягивает линию до кухонной; skorost 115200 укорачивает бит до 8,7 микросекунды. Светодиод на пине 12 — лампочка проверки: горит, когда эхо совпало, гаснет на битой посылке. Команда diag печатает текущие условия и вердикт — ту логику, которой вы только что пользовались глазами. Числа идут парами имя=значение, так что ряд shans= удобно наблюдать в плоттере: включите dlina 10 и увидите, как шанс порчи подпрыгивает.

Модель вероятностная, и в этом её честность: настоящая наводка не обещает испортить ровно каждую вторую посылку. Две команды test подряд при одних условиях могут дать разные результаты — так и на реальной линии: мусор приходит волнами, вслед за включённым паяльником или компрессором холодильника. Поэтому смотрите не на единичный прогон, а на частоту: отправьте test раз пять и посчитайте битые. Три из пяти при dlina 10 — линия ваша вина; ноль из пяти при чистых условиях — ищите вторую сторону.