Итоговый проект: четыре устройства на одной шине

Панель для мастерской я задумал простую: две строки на LCD — часы и статус, журнал последних событий в энергонезависимой памяти, кнопки для листания. Первая версия жила на delay(1000): раз в секунду скетч брался по очереди за каждое устройство — читал время, перерисовывал экран целиком, проверял журнал. Пока он писал в EEPROM, кнопки не опрашивались: нажатие между проходами пропадало. Экран мигал от полной перерисовки каждую секунду. Шина на глаз работала усердно, а пользы было мало. Вторая версия началась не с кода, а со сканера: сначала карта адресов, потом ритмы, и только затем скетч.

Это финальный урок раздела, и соберём мы в нём всё сразу: сканирование, регистры, подтяжки, таймауты и планировщик. Четыре жильца на двух проводах — экран через PCF8574, часы, память и кнопки — будут жить по разным расписаниям и не мешать друг другу.

Любая большая шина начинается со сканера из урока про поиск устройств — он печатает карту жильцов за минуту. Моя карта выглядит так: 0x27 — LCD1602 через переходник PCF8574, подключение разбирали в уроке про первый текст на I2C-экране; 0x68 — часы DS3231, их навыки мы раскладывали в уроке про время на DS3231; 0x57 — EEPROM 24C32. Хитрость последнего адреса: память живёт на том же модуле, что и часы, — на типовой платке часов два чипа, и сканер честно показывает оба. Кнопочная матрица 4 на 4 поедет на прямых пинах D2-D9: ноль шинного трафика, сканирование в loop; если пины дороги, второй PCF8574 сядет на 0x20, и карта пополнится пятым жильцом.

Схема складывается в одну гребёнку: SDA к SDA, SCL к SCL, общий минус — и тут же первый подводный камень. На каждом готовом модуле стоят свои бортовые подтяжки 4,7 кОм, и четыре модуля параллельно дают около 1,2 кОм на линию: ток через подтяжку при прижатой шине подбирается к четырём миллиамперам, фронты становятся резкими до звона на длинных проводах. Моё правило: до трёх модулей живём как есть, дальше отпаиваю подтяжки у всех, кроме одного, — пара минут паяльником против месяцев странных сбоев на границе кадров.

Памятной части стоит посвятить пару минут до кода. 24C32 — тридцать два килобита, четыре килобайта, и адресное слово у неё двухбайтное: старший байт, младший байт, и только потом данные. Привычка от маленьких 24C02 с одним адресным байтом тут дорого стоит: без старшего байта запись уедет в первые 256 байтов, что бы вы ни задумали. Журнал я держу кольцом: по четыре байта на метку, шестнадцать записей на первые шестьдесят четыре байта — курсор дошёл до конца, пошёл с нуля. Для панели в мастерской хватает с запасом: события редкие, а переполнение кольца затирает самое старое, что и требуется журналу.

Секрет спокойной шины — разные периоды. Часы читаются раз в секунду по millis-таймеру; журнал пишется только по событию — нажатию кнопки; экран обновляется только при изменении строки: новую строку сравниваем со старой и трогаем шину, если они различаются. Каркас многозадачного цикла без единого delay собирается по рецепту урока про планировщик задач. Прикинем занятость: чтение времени — около двух миллисекунд раз в секунду, это пятая часть процента; перерисовка экрана — единицы кадров в минуту; EEPROM — по пальцам событий. Шина простаивает девяносто девять с половиной процентов времени, и в этот запас помещается ещё десяток жильцов.

Кнопкам свой ритм тоже нужен, но шинный не нужен вовсе: матрица сканируется в каждом проходе loop, раз в десять-двадцать миллисекунд — быстрее палец не двигается. Отсюда приятное следствие: нажатия не пропадают, потому что между ними нет слепых окон на полсекунды, как было в delay-версии. Единственный кандидат на шину из этого списка — только сами события.

Второй секрет — честная проверка здоровья. Раз в десять секунд скетч пингует 0x57 и 0x68 пустым пакетом: ноль — все дома, двойка — кто-то отвалился, и печать вердикта в Serial спасает от часовых поисков отвисшего шлейфа. Страховка от глухого зависания — таймаут из урока про зависание шины: на большой шине я считаю его обязательным, как подтяжки.

Формат записи в журнал стоит придумать до скетча, а не по ходу. Мой: четыре байта — клавиша, час, минута и младший байт счётчика записей; по ним отвечает на вопрос «что нажимали после обеда» без единого разбора на бумажке. Четыре байта при кольце из шестнадцати записей занимают шестьдесят четыре байта из четырёх тысяч — даже если писать по десять событий в день, память исчерпается через год, и это при том, что кольцо затирает старое само. Развёл бы я страницы и блоки по 32 байта ради экономии ресурса? При паре записей в день — нет: износ ячейки EEPROM исчисляется сотнями тысяч циклов, и журнал в мастерской не доживёт до половины.

Про честность в симуляторе: LCD и часы показаны их виджетами — это движковые классы, их трафик панель I2C не рисует. EEPROM-часть — журналом: каждый визит на 0x57 виден в панели как START, адресное слово, байт, STOP, а Serial ведёт счёт записей. Заглушка ACK-ает всё и отдаёт по 42 в байте, поэтому чтение при старте вернёт 42 42, а код endTransmission всегда ноль — на живой плате там будут и двойка от отвалившегося модуля, и тройка от занятой памяти. Клавиатура — честная: строки на D2-D5, столбцы на D6-D9, INPUT_PULLUP и сканирование в loop, ноль кадров на шине.

Кольцевой журнал я не выдумал для этого урока — он переехал целиком из урока про журнал событий в EEPROM, где обсуждался износ и размер записей. Пересчёт прост: при паре событий в день даже шестнадцать меток крутятся полторы недели, а четырёх килобайт настоящей 24C32 хватит на годы. И заметьте ритм экрана: верхняя строка перерисовывается раз в секунду вместе с часами, нижняя — только после нажатия. Ни одного кадра на шине между этими моментами — вот что показывает пустая панель лучше любых слов. Попробуйте на макетке три вещи подряд: нажать цифру и найти в панели кадры на 0x57, зажать клавишу надолго и убедиться, что запись одна — за фронтом следит защита от удержания, и просто смотреть на пустую панель между событиями: тишина на шине тут не поломка, а показатель.

Первое: переведите кнопки на второй PCF8574 по адресу 0x20 — карта адресов вырастет до пяти жильцов, а его ножку INT можно повесить на пин 3 и ловить нажатия прерыванием из предыдущего урока. Второе: выньте на живой плате питание часов — пинг раз в десять секунд напечатает пропажу, и скетч продолжит работать без них: отказ одного жильца не кладёт шину целиком. Третье: добавьте четвёртого кандидата — датчик температуры внутри DS3231 читается из регистров 0x11 и 0x12 раз в минуту, дешевле не бывает. Четвёртое: поднимите частоту шины до 400 кГц и убедитесь, что PCF8574 начинает рисовать кракозябры, — живое напоминание, что потолок задаёт самый медленный жилец. Пятое: ведите счёт кадров шины за минуту и сравните delay-версию панели с планировщиком — разницу в десятки раз приятнее увидеть в цифрах, чем услышать от меня.

Куда дальше: если проект разрастётся датчиками погоды, тот же каркас планировщика у меня перерос в метеостанцию на одной шине — там к жильцам добавляются датчики с автопроверкой подписи. И последнее: журнал в EEPROM стоит ограничить кольцом не по одному байту, а по записи целиком — иначе половина метки окажется от старой.