# Как устроен датчик и как мы разгадали его протокол ## Мультиметр и осциллограф Мультиметр показывает одно число: напряжение «сейчас», усреднённое за доли секунды. Если напряжение меняется быстрее, чем обновляется экран, мультиметр покажет что-то среднее, и вы не узнаете, что было на самом деле. Осциллограф показывает **график**: по горизонтали время, по вертикали напряжение. На нём видно, как батарейка проседает в момент включения мотора, как кнопка «дребезжит» при нажатии и почему ШИМ-светодиод только кажется горящим вполсилы. ## Шаг 1. Напряжение → число: АЦП Внутри датчика стоит **АЦП**, аналого-цифровой преобразователь. Он меряет напряжение и выдаёт целое число от 0 до 4095. Это 12 бит: 2¹² = 4096 ступенек. Датчик меряет и плюс, и минус, поэтому ноль вольт находится посередине шкалы, около кода 2048. Всё, что выше, — плюс, что ниже — минус: ``` код 4095 ─── +предел код 2048 ─── 0 В код 0 ─── −предел ``` Перевод кода в вольты — одна строка в [`app/index.html:271`](app/index.html): ```js (code - zero) * mv_per_code / 1000 ``` **Проверим на числах.** Предел ±5 В, на один код приходится 2,48 мВ. Пришёл код 3370, ноль у этого канала — 2040: (3370 − 2040) · 2,48 мВ = 3298 мВ ≈ 3,3 В. Это верхний уровень меандра ESP32. ## Шаг 2. Предел: чем меньше, тем точнее Ступенек всегда 4096, а предел можно выбрать. Значит, меняется цена одной ступеньки: | Предел | Одна ступенька | Батарейку 1,5 В видно как… | |---|---|---| | ±90 В | 44 мВ | 34 ступеньки: просадку в 20 мВ не заметить | | ±5 В | 2,5 мВ | 600 ступенек | | ±2 В | 1 мВ | 1500 ступенек: видна просадка в пару милливольт | Правило такое же, как с мультиметром: **самый маленький предел, при котором нет зашкала**. Числа взяты из калибровки ([WIRING.md](WIRING.md#калибровка)) и записаны в [`app/b202.json`](app/b202.json), раздел `calibration`. ## Шаг 3. Как часто мерить: частота оцифровки АЦП меряет не непрерывно, а через равные промежутки времени. Например, «точка через 100 мкс» — это 10 000 замеров в секунду (10 кГц). Если мерить слишком редко, сигнал потеряется. Меандр 100 Гц при оцифровке 200 Гц даст две точки на период: не поймёшь, меандр это, синусоида или пила. Для хорошей картинки нужно **хотя бы 10–20 точек на период**. Если точек меньше двух на период, прибор не просто теряет сигнал, а показывает другой. Проверено со звуковой картой: при точке через 100 мкс тон 9900 Гц на экране — ровная волна 98 Гц, тон 6000 Гц — 4 кГц. Урок об этом — [«Прибор врёт»](Lesson.md#урок-прибор-врёт-8-класс-45-мин). Датчик записывает **кадр** из 3072 точек и только потом передаёт его целиком. Поэтому частота оцифровки определяет и длину кадра: | Точка через | Частота | Длина кадра | Для чего | |---|---|---|---| | 10 мкс | 100 кГц | 31 мс | дребезг кнопки, ШИМ | | 100 мкс | 10 кГц | 0,3 с | 50 Гц от трансформатора | | 1 мс | 1 кГц | 3 с | батарейка, конденсатор | | 5 мс | 200 Гц | 15 с | медленные процессы | ## Шаг 4. Синхронизация: почему картинка стоит на месте Каждый кадр начинается в случайный момент. У повторяющегося сигнала картинка от кадра к кадру сдвигается и «бежит». Синхронизация (на настоящих осциллографах — «запуск», trigger) велит датчику ждать, пока сигнал выбранного канала пересечёт заданный уровень в нужную сторону, и только тогда начинать кадр. Каждый кадр начинается в одной и той же фазе сигнала, и картинка стоит. Уровень датчику передаётся кодом АЦП, а не вольтами. Пересчёт вольт в код — обратная формула из шага 1, она в [`app/index.html:272`](app/index.html). Для одиночных событий (нажатие кнопки, заряд конденсатора) есть режим «Один кадр»: датчик ждёт события, записывает кадр и останавливается. ## Как мы разгадали протокол Программа производителя не рассказывает, как говорит с датчиком. Разгадывали по шагам, и каждый шаг можно повторить на уроке информатики. **1. Что видит Linux.** Команда `lsusb` показала устройство `0403:6001 FTDI FT232R`. Это стандартный мост USB ↔ UART (последовательный порт). Драйвер для него встроен в Linux, и датчик появился как `/dev/ttyUSB0`. **2. Датчик молчит.** Сам по себе он ничего не передаёт: ждёт команды. Перебирать команды наугад бесполезно. **3. Подсказка из Android.** У производителя есть приложение для Android, написанное на Kotlin. Такие программы можно разобрать обратно в почти читаемый код (декомпилировать). В нём нашлись текстовые команды: | Команда | Что делает | |---|---| | `I` | «кто ты?» → `B202,3.02,1.12.2011,2,…,921600` | | `C 6 FREQ=?` | спросить параметр; число 6 — длина `FREQ=?` | | `C 8 FREQ=100` | установить параметр | | `S` / `T` | начать / остановить измерение | Команды идут на скорости 38400 бод, данные — на 921600 ([`app/b202.json`](app/b202.json), `baud`). **4. Данные полубайтами.** Каждый байт данных делится на две половинки по 4 бита, и каждая означает символ: | Полубайт | Значение | |---|---| | `0`–`9` | цифра кода АЦП | | `C` | конец числа | | `D` + номер | начало кадра канала | | `F` | заполнитель | Байты `20 60 CC` читаются как «2060, конец». Разбор потока — класс класс `FrameParser` в [`app/xstem-scope.js`](app/xstem-scope.js); тот же разбор на Python — `FrameParser` в [`app/xstem-scope.py`](app/xstem-scope.py). Что оба разбирают поток одинаково, проверяют тесты в [`tests/`](tests/test_protocol.py). **5. Ловушки, на которые мы наступили.** - **«T» надо слать на скорости данных.** Посланная на 38400 команда «стоп» до датчика не доходила, и он продолжал присылать кадры, не слушая новых команд (`_stop()` в [`app/xstem-scope.js`](app/xstem-scope.js)). - **`FREQ` — не частота, а период в микросекундах.** На `FREQ=10000` мы ждали 10 кГц, а датчик честно записывал 30 секунд с частотой 100 Гц. Разгадали по меандру ESP32: 100 Гц при `FREQ=1000` дали ровно 10 точек на период. - **Недопустимые значения датчик молча заменяет своими.** Подходят только 10, 20, 50, 100, 200, 500… ([`app/b202.json`](app/b202.json), `periods_us`). - **Первые секунды после включения датчик мерит по-своему.** Команды он подтверждает, и прочитанные обратно настройки — наши, но «Пуск» в первые 3–4 секунды идёт с его собственными: точка через 10 мкс и синхронизация по К1. На пустом входе кадров тогда нет вовсе, а с шумом они сыплются втрое чаще положенного. Записали, выдёргивая датчик посреди опыта: «Пуск» через 1,5–2,5 с — его настройки, через 4,3 и 13 с — наши. Поэтому программа, найдя вставленный датчик, ждёт 4 секунды ([`app/b202.json`](app/b202.json), `boot_s`). - **Датчик копит кадр целиком.** Проверили по времени прихода байтов: на кадре 6 с первые данные приходят через 6,3 с, и весь кадр — за 0,3 с. Зато `PACKET_SIZE` можно не только спросить, но и задать: при 250 точках кадры идут каждые 0,53 с. На этом построен самописец. Параметр датчик помнит, пока включён, поэтому программа каждый раз ставит его явно, а при подключении возвращает 3072. **6. Калибровка по известному сигналу.** Пока на входе ничего нет, код ничего не говорит о вольтах. Нужен сигнал, который мы знаем заранее: меандр 0/3,3 В от ESP32 ([`src/main.cpp`](src/main.cpp)). Размах в кодах на каждом пределе дал «милливольты на код». Общий принцип: **неизвестный прибор изучают известным сигналом**. Так же проверяют и настоящие осциллографы: у них на передней панели есть вывод «калибратор» с меандром 1 кГц.