Серво без библиотеки: точный импульс на Timer1

На моей Uno жили две серво и диммер на отрезке белой светодиодной ленты — обычный полуденный проект, ничего боевого. Диммер сидел на пине 9 — просто потому, что так было нарисовано в первой попавшейся схеме, а пины тогда я раздавал наугад. В тот день, когда я дописал строку sv.attach(9), лента замерла на одном уровне яркости: analogWrite на девятом пине умер — не потускнел, а именно замер, будто пин заклинило. Я полчаса искал «сломанный» скетч, которого не существовало: проверял резистор, перепаивал провод, перезагружал IDE, гуглил «analogWrite не работает». Виновник — Timer1: библиотека Servo забирает его целиком, а он на Uno обслуживает ШИМ пинов 9 и 10. Диммер я перенёс на 11-й, а заодно решил, что хватит относиться к библиотеке как к чёрному ящику, и полез читать исходники Servo.h: что вообще происходит на плате, когда библиотека «крутит» до двенадцати серво одновременно, а loop при этом остаётся свободным. Оказалось — ничего магического: один таймер, очередь импульсов и прерывания. Ни датчиков, ни магии — арифметика на тиках, и она целиком помещается в этом уроке. Этот урок — про то, что я там нашёл: таймер с тиками по полмикросекунды, бюджет кадра в 40000 тиков и импульс, который можно послать руками, без единой библиотеки.

Разбор полёта. Timer1 — единственный 16-битный таймер у Atmega328, и библиотека настраивает его так: тактовые 16 МГц делятся на 8, и тик получается длиной 0,5 мкс. Из этих тиков библиотека лепит и кадр, и каждый импульс, поэтому вся микросекундная кухня у неё целочисленная. Кадр серво — 20 мс — это ровно 40 000 тиков. Внутри кадра библиотека по очереди раздаёт импульсы всем подключённым серво: пин поднимается, таймер отсчитывает заказанные микросекунды, пин падает, наступает очередь следующего серво. Управление идёт через прерывания таймера: каждое срабатывание стоит микросекунды процессорного времени, а между ними ваш loop работает, как будто импульсов на плате не существует. Точность здесь выше всяких похвал: тик 0,5 мкс — это в двадцать раз мельче мёртвой зоны SG90, то есть разрешение, которое серво физически не отличит. Для сравнения: квант delay() — целая миллисекунда, в две тысячи раз грубее. Именно поэтому у библиотеки такой богатый выбор пинов: сигнал серво можно повесить почти на любой цифровой вывод, таймер один на всех. В кадре они стоят в очереди по порядку подключения, и очередь длинной в дюжину — всё ещё короче 20 мс, если импульсы короткие. Как устроены таймеры этой платы и что такое прерывание по совпадению, я подробно писал в обзоре таймеров Atmega328 и в уроке про прерывание по таймеру — там же видно, почему Timer0 никто не трогает: он кормит millis() и delay(). Если после этого раздела захочется самому дёрнуть таймер — начинайте именно с тех уроков: там всё то же самое, только по частям.

Теперь сделаем то же самое без библиотеки. Минимальный серво-сигнал — это digitalWrite(HIGH), пауза на нужное число микросекунд и digitalWrite(LOW); дальше тишина до конца кадра. Три строки — и серво вас понимает: вы наконец заговорили на её языке длительностей, а не скважностей. Для пауз такого масштаба в языке есть delayMicroseconds(): она на два порядка точнее delay() — delay(1) означает «примерно миллисекунда с накладными», а delayMicroseconds(1500) держит линию с точностью порядка 2–3 мкс. Верхний разумный предел у неё — порядка 16000 мкс: дольше она тоже умеет, но точность и назначение уже у других средств. Каждый digitalWrite сверху добавляет свои 3–5 мкс накладных — против импульса в тысячу микросекунд это пыль, но цену знать надо: пять-шесть микросекунд шума на кадр. В моей первой версии стояла классическая ошибка, которую я потом находил в чужих скетчах десятки раз: после импульса delay(20). Кадр получался длиной 21,5 мс — импульс, пауза, накладные расходы, — и серво у края хода мелко подрагивала, хотя в середине всё выглядело прилично. Лечится арифметикой: пауза равна кадру минус импульс. После импульса в 2 мс ставлю delay(18), и период встаёт на место; после импульса в 1 мс — delay(19), но и без пересчёта для каждого кадра достаточно просто помнить бюджет. Напомню вилку: серво терпят кадры 16–25 мс, но краем хода замечают и меньшую небрежность.

Полный скетч — выше, в нём нет ни одной библиотеки: только pinMode, digitalWrite и две паузы. Функция impyls() — три строки, и в них весь протокол серво, от и до. Прежде чем заменять им Servo.h во всех проектах, честная граница: пока delayMicroseconds() держит пин, loop стоит. Одна серво — это 1–2 мс блокировки из каждых 20, терпимо; пять серво подряд — уже 10 мс, и кооперативная логика на millis() начнёт захлёбываться: кнопки начнут пропускать нажатия, Serial — ронять строки, а мигание по расписанию — отставать. Проверка дешёвая: добавьте в loop счётчик проходов в секунду и посмотрите, как он падает с каждой новой серво. У меня счётчик рухнул с тысяч до пары сотен на пяти серво — диагноз без вскрытия. Библиотека же раздаёт импульсы из прерываний и вашего времени не ест вообще. Я держу такой код для трёх случаев: понять, как серво слышат плату; выжать точность, когда под рукой нет writeMicroseconds(); и экзотика вроде синхронного строба с другим устройством, когда импульс должен совпасть с внешним событием. В девяти проектах из десяти ответ — библиотека: она сама разберётся с очередью и границами значений за вас. Если хочется освежить, что делают attach(), write() и detach(), вернитесь к уроку про азы библиотеки Servo, а про неблокирующие циклы почитайте в millis() вместо delay.

Чем проверить себя на живой плате? Вторым Arduino: pulseIn() на его пине меряет длину высокого уровня — тот же приём, что у дальномера HC-SR04, только объект другой. Подаёте impyls(1472) — и в мониторе второй платы видите свои 1470–1475. Схема замера — три провода: сигнал с пина первой платы на пин второй, минусы плат соединить, таймаут я ставлю явно, чтобы молчащая линия не подвешивала замер на целую секунду. Заодно это лучший способ подсмотреть, что шлёт библиотека: подключите сигнальный провод серво к пину второй платы (серво при этом питается как обычно, от первой) и сравните write(90) с writeMicroseconds(1500) — разница в 28 мкс видна в мониторе как на ладони. Замер по одному импульсу дрожит на пару микросекунд — это нормально, берите среднее из десяти. И последнее про потолок: до 12 серво на Uno — не магия числа, а бюджет кадра, и расходуется он только импульсами. Каждый импульс занимает 1000–2000 мкс, кадр — 20 мс; когда сумма импульсов вырастает, библиотека растягивает кадр, частота обновления падает ниже 40 Гц, и серво отзываются лениво. Двенадцать — это когда импульсы короткие; повесите дюжину MG995 с полным ходом по 2000 мкс — разницу почувствуете без осциллографа: серво начнут отвечать с натугой и ленивым дожёванием.