Планировщик на millis: мотор едет, остальное живёт

Заслонка теплицы открывалась по расписанию, и ровно до первого дождя этим можно было гордиться. Сценарий был честный: мотор делает пол-оборота, пауза, пол-оборота назад. Но в тот же loop() я повесил ещё кнопку ручного режима и мигающий светодиод статуса — и они умерли тихо: пока шёл step(1024), плата не замечала ни кнопки, ни меня, стучащего по монитору порта. Секунд десять железо было в порядке, а логика — в коме. Сервоприводы я уже приучил к millis-циклу в разделе про серво, а тут выяснилось, что библиотека Stepper тащит свой таймер внутри и наружу его не отдаёт.

Выход из тупика я нашёл ещё в уроке про качели на порциях: дробить ход на кусочки по четыре шага. Здесь доведём этот приём до системы: соберём из порций настоящий планировщик — задачи с собственными таймерами, которые делят один loop() без единого delay. Паттерн тот же, что в уроке про millis вместо delay, только одна из задач — моторная, со своей арифметикой темпа.

Разберём по косточкам, что именно происходит внутри step() и почему он не возвращается, посчитаем паузу между порциями в миллисекундах, соберём три задачи на одном millis() и честно оговорим границы: планировщик делает loop() живым, но не делает мотор быстрым.

Внутри библиотеки Stepper прячется цикл: переключить обмотки, подождать, повторить. Ожидание считается из двух чисел — оборотов в минуту и шагов на оборот: интервал между шагами равен 60000000 микросекунд, поделённых на RPM и на 2048. При 8 RPM это 3,7 миллисекунды на шаг, при 5 — 5,9, при 15 — 1,95. Вызов step(2048) живёт внутри до последнего шага: при 5 RPM мотор завершит оборот через 12 секунд, и все эти секунды loop() стоит на месте — Serial молчит, кнопки не опрашиваются, светодиод застыл. Хуже то, что пауза эта не честный сон: библиотека крутится в плотном цикле ожидания, и врезаться в неё извне некуда.

Порции меняют картину: step(4) при 8 RPM занимает примерно 15 миллисекунд — это четверть кадра, а не вечность. Между вызовами loop() полностью ваш: успевает опросить кнопку, посчитать millis(), отчитаться в порт. Но сразу вырастает обязательство по темпу: между порциями должно проходить не меньше тех же 15 миллисекунд, иначе вызовы пойдут подряд, а мотор начнёт отставать от расписания — на малой скорости это просто рваный ход, на предельной — срыв шагов, после которого счёт позиции врёт молча. Проверял: закрутишь 28BYJ-48 выше 15 RPM — гудит и трясётся, а библиотека рапортует о выполнении.

Арифметика паузы простая, и я записываю её одной строкой: PORTION шагов требуют PORTION × 60000 / (RPM × 2048) миллисекунд. Для четырёх шагов при 8 RPM это 14,6 — округляю вверх до 15. Округление вверх безопасно: мотор станет чуть медленнее обещанного, но не сорвётся. А вот округление вниз — классический промах: два вызова подряд, очередь не успевает, и на грани скорости механизм начинает пропускать шаги прямо во время отладки, когда кажется, что всё уже работает.

Схема планировщика умещается в три предложения. У каждой задачи есть период и метка прошлого запуска; loop() каждую итерацию спрашивает каждую задачу: настало ли твоё время; отработавшая задача обновляет свою метку. Ни один delay, ни один вложенный цикл ожидания — при желании задач можно насадить десяток, и каждая будет жить в своём ритме, не мешая соседям. Моторная задача отличается только тем, что её период считается из RPM, а не пишется константой: поменялась скорость — поменялся и темп порций, пересчитывать ничего вручную не нужно.

LED-сердцебиение здесь не украшение, а инструмент: пока мотор едет, диод мигает с точностью до миллисекунды — значит, loop() жив и моторная задача не захватила цикл. Погасите мигание заменой периода на delay — и увидите, как всё застынет; это лучший способ почувствовать разницу, чем любые объяснения. Кнопка опрашивается каждым проходом с вилкой в 50 миллисекунд — тот же антидребезг временем, что описан в уроке про дребезг, только без блокировки. Команды из монитора порта в такую схему добавляются тем же шаблоном — приём из урока про команды через Serial встаёт четвёртой задачей без единой правки существующих.

Отдельный бюджет у печати в порт. На 9600 бодах один символ уходит за 1,04 миллисекунды, и пока строка короче 64-байтного буфера UART, Serial.print выглядит мгновенным: байты сбрасываются в буфер, loop() бежит дальше. Строка в сотню символов на той же скорости уже держит цикл около ста миллисекунд — мотор за это время доедет восемь шагов и не заметит, а вот кнопка с коротким нажатием может промелькнуть мимо опроса. Я поднял скорость порта до 115200 — бюджет печати упал в двенадцать раз, и вопрос закрылся навсегда.

Границу метода назову прямо: планировщик управляет порядком, а не скоростью. Потолок 28BYJ-48 на 5 вольтах — те же 10-15 RPM, что и раньше; порции не помогут провернуть вал быстрее, они лишь позволяют остальному коду дышать между шагами. Если нужна скорость и разгон — это уже AccelStepper, где неблокирующее движение зашито внутрь библиотеки: сравнение run() с блокирующими вызовами мы разбирали в отдельном уроке. Ручной планировщик хорош там, где мотор — одна из нескольких задач, а не единственная цель платы.

В симуляторе мотор подключён к пинам 8, 10, 9, 11 через ULN2003, потенциометр на A0 задаёт RPM от 4 до 12, кнопка на D2 — пауза, LED на D12 тикает каждые 500 миллисекунд. Запустите и следите за Serial: отчёты идут ровно каждые три секунды, независимо от того, едет мотор или крутится потенциометр. Это и есть главный признак планировщика: ни одна задача не монополизирует цикл.

Крутаните ползунок до 12 RPM — моторная задача участится, а отчёты не сдвинутся ни на миллисекунду; уроните до 4 — мотор замедлится, LED продолжит мигать в прежнем ритме. Затем зажмите кнопку: мотор замрёт на середине хода, а светодиод и Serial продолжат жить — пауза остановила только одну задачу из трёх, что и требовалось доказать.

Планировщик превращает мотор в одну из задач платы, но маршрут в нём всё ещё зашит в код: разворот на границе, остаток, направление. А ведь реальный механизм живёт сценариями: отъехать на 180 градусов, подождать две секунды, вернуться на 90, снова пауза. Как записать такой сценарий массивом и выполнить его конечным автоматом, не дописав ни одного delay — следующий урок: Очередь движений: сценарий из задач и конечный автомат. Домашнее задание: добавьте к планировщику потенциометр не на скорость, а на длину маршрута — и посмотрите, как разворот начинает дышать вместе с ползунком. Заодно сверьте темп разворотов с расчётом 60000/(RPM × 512): арифметика из этого урока обязана сходиться с наблюдением до шага.