Optical Channel Tester — ESP32-C3 / ESP32-S3

Полностью рабочий Arduino IDE-проект для строгой проверки оптического цифрового канала. Устройство формирует PWM аппаратным LEDC, пропускает его через проверяемый канал и проверяет каждый завершённый период отдельно: частоту и заполнение. Поддерживаются роли SOLO, MASTER и SLAVE; роли выбираются только вручную.

Что реализовано

• неблокирующий конечный автомат без pulseIn() и длинных delay();
• аппаратный LEDC с расчётом реально получившихся частоты, разрядности и duty;
• Arduino-ESP32 3.3.10: потоковый аппаратный RMT RX (partial RX), ping-pong на C3 и DMA на S3;
• безопасный fallback для старых Arduino-ESP32 3.x через GPIO edge ISR и аппаратный CPU cycle counter (верхний предел при этом автоматически ограничен 100 кГц);
• отбрасывание ровно PWM_SETTLE_CYCLES полных периодов;
• потоковая статистика без хранения всех периодов;
• немедленный FAIL по первому плохому периоду;
• десять измерительных участков на каждой частоте с промежуточным отображением результата;
• ESP-NOW discovery, handshake, CRC, session/stage/sequence, ACK, повторы и защита от старых пакетов;
• SSD1306 128×32: каждый экран всегда состоит ровно из двух строк;
• две кнопки, debounce, long press и repeat; после long press ложный short click не создаётся;
• Preferences/NVS с версией структуры, checksum, проверкой индексов и восстановлением defaults;
• работа через Serial при отсутствующем OLED;
• безопасное выключение PWM при PASS, FAIL, ABORT и потере связи.
• полный журнал действий в Serial с временными метками; OLED необязателен.

Файлы

Arduino sketch находится в каталоге OpticalChannelTester:

• OpticalChannelTester.ino — стандартная точка входа Arduino IDE;
• Config.h — GPIO, тайм-ауты, пределы и все пользовательские массивы;
• Core.* — последовательность частот, ALL, допуски, статистика;
• Buttons.* — автомат двух кнопок;
• SettingsStore.* — NVS;
• Display.* — OLED и компактное форматирование;
• Log.* — журнал действий и Serial-зеркало интерфейса;
• Pwm.* — LEDC;
• Receiver.* — RMT RX / совместимый fallback;
• Measurement.* — строгая проверка периодов;
• Protocol.*, Radio.* — ESP-NOW;
• App.* — общий конечный автомат SOLO/MASTER/SLAVE.

Каталог tests содержит локальные unit-тесты чистой логики и автомата кнопок.

Требования Arduino IDE

Проверенная конфигурация:

• Arduino IDE 2.x;
• пакет плат esp32 by Espressif Systems 3.3.10;
• Adafruit GFX Library 1.12.1;
• Adafruit SSD1306 2.5.15;
• Adafruit BusIO устанавливается Library Manager как зависимость.

В Arduino IDE откройте OpticalChannelTester/OpticalChannelTester.ino. Не переносите один .ino отдельно: остальные вкладки являются частью скетча.

Для C3 выберите подходящую плату ESP32-C3, например ESP32C3 Dev Module. Для S3 — ESP32S3 Dev Module. Затем выберите порт и нажмите Verify/Upload.

GPIO

Все назначения находятся в начале Config.h и могут быть изменены до сборки.

Сейчас в Config.h включён #define MAKETKA. В этом профиле используются следующие назначения:

Сигнал	ESP32-C3	ESP32-S3
PWM output	GPIO 3	GPIO 12
Optical RX input	GPIO 4	GPIO 13
START	GPIO 1	GPIO 10
MODE	GPIO 0	GPIO 9
OLED SDA	GPIO 6	GPIO 44
OLED SCL	GPIO 7	GPIO 1

Если закомментировать #define MAKETKA, включается профиль производственной PCB:

Сигнал	ESP32-C3	ESP32-S3
PWM output	GPIO 3	GPIO 12
Optical RX input	GPIO 4	GPIO 13
START	GPIO 10	GPIO 4
MODE	GPIO 20	GPIO 5
VBAT	GPIO 2	GPIO 11
Analog RX	GPIO 0	GPIO 9
OLED SDA	GPIO 6	GPIO 44
OLED SCL	GPIO 7	GPIO 1

Оба профиля рассчитаны на установку S3 с совмещением контактов 5V и GND с модулем C3. Номера GPIO S3 выбраны по тому же физическому ряду разъёма, а не по совпадению номера GPIO.

На ESP32-C3 PWM формируется через LEDC с целым делителем. На ESP32-S3 используется отдельный аппаратный MCPWM со счётчиком 40 МГц и произвольным целым периодом.

OLED

Подключите SSD1306 128×32: VCC → 3.3 V, GND → GND, SDA/SCL по таблице. Адрес по умолчанию 0x3C. Если OLED не отвечает, тест продолжает работать и пишет диагностику в Serial 115200.

Работа вообще без OLED

OLED можно не подключать. Откройте Serial Monitor на 115200 baud: каждый экран всегда дублируется одной строкой вида:

[      1250][UI      ] MODE: SOLO | START=RUN

Полоса прогресса учитывает номер частоты и десять измерительных участков внутри неё. Например, диапазон из 11 частот даёт 110 последовательных позиций прогресса.

В Serial также выводятся:

• каждое распознанное нажатие START/MODE и текущее состояние автомата;
• вход, изменение и сохранение каждого пункта меню;
• загрузка, проверка и сохранение NVS;
• запуск/остановка PWM и реальные параметры LEDC;
• начало этапа, число отбрасываемых периодов и параметры измерительного окна;
• все действия ESP-NOW, peer, session/stage/sequence, ACK и повторы;
• статистика этапа, первый плохой период и итоговая причина завершения;
• все строки, которые были бы показаны на OLED.

Во время строгого измерительного окна отдельные импульсы намеренно не печатаются: они проверяются потоково, а итоговая статистика выводится после окна. Это предотвращает влияние Serial на точность и переполнение очереди RMT. Журнал действий включён параметрами в Config.h:

constexpr bool SERIAL_ACTION_LOG = true;
constexpr bool SERIAL_LOG_TIMESTAMPS = true;

Кнопки

По умолчанию задано:

#define BUTTON_ACTIVE_LEVEL LOW

Поэтому каждая кнопка подключается между своим GPIO и GND, а прошивка автоматически включает INPUT_PULLUP.

Если установить BUTTON_ACTIVE_LEVEL HIGH, подключайте кнопку между GPIO и 3.3 V; автоматически будет использован INPUT_PULLDOWN. Других изменений логики не требуется.

Подключение сигнала

SOLO

ESP GPIO_PWM -> вход передатчика оптического канала
выход приёмника оптического канала -> ESP GPIO_RX
GND ESP -> GND входной/выходной электроники (если канал не гальванически развязан)

MASTER / SLAVE

MASTER GPIO_PWM -> вход передатчика проверяемого канала
выход приёмника проверяемого канала -> SLAVE GPIO_RX
MASTER <~~~~ ESP-NOW Wi-Fi channel 6 ~~~~> SLAVE

На обеих ESP должны совпадать ESPNOW_WIFI_CHANNEL и версия прошивки. Slave сначала переводится в SLAVE READY кнопкой START, затем START нажимается на Master.

Пока бодрствующий Slave находится в SLAVE READY, радиоприём работает периодически: окно 20 мс каждые 100 мс, а собственный оптический передатчик Slave отключён уровнем PWM_SAFE_LEVEL. При переходе Slave в light sleep ESP-NOW и Wi-Fi полностью отключаются, поэтому радиопакет не может его разбудить. Master во время поиска посылает серию DISCOVER каждые 20 мс и одновременно переключает оптический выход между PWM_ACTIVE_LEVEL и PWM_SAFE_LEVEL каждые OPTICAL_WAKE_HALF_PERIOD_MS. Изменение уровня на оптическом входе пробуждает Slave через GPIO; после этого Slave запускает ESP-NOW и принимает повторяемый DISCOVER. Постоянный HIGH или LOW сам по себе повторных пробуждений не вызывает. После обнаружения Master прекращает wake-сигнал, а Slave включает непрерывный радиоприём на всю тестовую сессию. Параметры задаются в Config.h.

GPIO ESP32 допускают только логические уровни 0…3.3 В. Не подавайте 5 В на GPIO_RX; применяйте согласование уровня. Полярность выхода оптического приёмника задаётся однозначно его активным уровнем:

#define RX_ACTIVE_LEVEL HIGH // либо LOW

Управление

В ожидании:

• MODE short: SOLO → MASTER → SLAVE → SOLO, выбранная роль сохраняется;
• MODE long: открыть настройки;
• START short: начать тест;
• START long во время теста: ABORT, PWM немедленно выключается.

В настройках:

• MODE short: следующий параметр;
• MODE long: проверить диапазон, сохранить один раз в NVS и выйти;
• START short: следующее значение;
• START long: предыдущее значение, затем autorepeat при удержании.

Удержание обеих кнопок минимум 1.5 с при включении восстанавливает defaults.

Энергосбережение

В ожидании процессор работает на 80 МГц, во время теста и связанной MASTER/SLAVE-сессии — на 160 МГц. Пока Solo или Master бодрствует и тест не идёт, выход передатчика удерживается на PWM_ACTIVE_LEVEL; в режиме Slave передатчик всегда отключён уровнем PWM_SAFE_LEVEL. При запуске теста, остановленном PWM и после тайм-аута сна также используется PWM_SAFE_LEVEL — уровень полного выключения с минимальным потреблением тока. После тайм-аута бездействия в IDLE, MENU, FINISHED или SLAVE READY OLED выключается, а ESP переходит в непрерывный light sleep без периодических таймерных пробуждений. Экран и текущее состояние сохраняются. START и MODE будят любую роль, а фронт на оптическом входе дополнительно будит Slave. При использовании встроенного USB Serial/JTAG для следующей прошивки может потребоваться ручной вход в загрузчик кнопкой BOOT.

START и MODE будят устройство. Пробуждающее нажатие намеренно не выполняет действие и полностью игнорируется до отпускания кнопки; действие выполняет только следующее нажатие. Принятый DISCOVER также немедленно выводит Slave из энергосбережения. Тайм-аут задаётся IDLE_POWER_SAVE_TIMEOUT_MS в Config.h.

Настройка диапазона

START и END выбираются из отдельных массивов START_FREQ_OPTIONS_HZ и END_FREQ_OPTIONS_HZ в Config.h и зацикливаются независимо. Полный список точных частот заранее рассчитан для XTAL 40 МГц, целого делителя LEDC и таймера 1…14 бит и записан в TEST_FREQUENCIES_HZ. Сохранённые индексы всегда проверяются; после изменения массивов повреждённая/несовместимая настройка не приводит к выходу за границы.

Отдельной настройки STEP нет: тест начинается с выбранной START, проходит все соседние достижимые точки из полного списка и заканчивается на выбранной END.

ALL пересчитывается после изменения START, END или TEST TIME и отображается с точностью до целой секунды. Для каждой точки учитывается:

max(TEST_TIME, periods / RX_PROCESSING_PERIODS_PER_SECOND)
+ ожидание заполнения RMT-пакета × 10
+ PWM_SETTLE_CYCLES / actualFrequency × 10
+ OLED_PROGRESS_UPDATE_MS × 11

TEST TIME — это чистое время выборки сигнала, а не полная длительность этапа. На высоких частотах полная длительность заметно возрастает из-за проверки каждого периода. Расчёт использует консервативную производительность 300 тысяч периодов в секунду, полученную из реального журнала ESP32-C3.

Строгая проверка

После каждой перенастройки PWM приёмник:

1. выбирает максимальную допустимую частоту RMT 20, 40 или 80 МГц с учётом частоты и duty;
2. отбрасывает ровно PWM_SETTLE_CYCLES полных периодов;
3. очищает статистику;
4. проверяет все полные периоды десяти участков TEST TIME и между ними показывает промежуточный результат.

Настройка точности 1% использует фактический допуск 1,25%, соответствующий одному такту RMT 80 МГц на частоте сигнала 1 МГц.

Незавершённый период в начале и конце окна не учитывается. Период, пересекающий границу повторов, не теряется. Для каждого периода отдельно вычисляются частота и duty; средние используются только для диагностики. Любой один выход за допуск немедленно завершает всю проверку.

Причины: NO SIGNAL, PERIOD OUT, DUTY OUT, EXTRA EDGE, GLITCH, LOST EDGE, DATA LOSS ERROR, LINK LOST, UNSUPPORTED, RESOLUTION, ABORTED.

Пределы

• C3: гарантированный проектный диапазон до 10 кГц; настраиваемый строгий предел по умолчанию 100 кГц;
• S3: строгий предел до 1 МГц только при рабочем RMT DMA;
• выше строгого аппаратного предела выдаётся UNSUPPORTED, ослабленной проверки нет;
• комбинации, для которых LEDC или RX timer не дают выбранную точность, завершаются RESOLUTION до запуска заведомо неверного теста.

Реальный предел зависит от конкретной платы, разводки, формы фронтов, Wi-Fi нагрузки и оптического оборудования. Начинайте проверку с 100 Гц…10 кГц.

Первый запуск SOLO

1. Соберите схему SOLO и ещё раз убедитесь, что на GPIO_RX не бывает напряжения выше 3.3 В.
2. Откройте Serial Monitor на 115200 baud.
3. Включите плату. На OLED должно быть MODE: SOLO / START=RUN.
4. Если выбран другой режим, коротко нажимайте MODE до SOLO.
5. Для первого опыта оставьте defaults: 100 Гц…10 кГц, duty 50%, accuracy 5%.
6. Коротко нажмите START.
7. Serial покажет запрошенные и фактические параметры LEDC, список частот, ALL и статистику каждой точки.
8. Успех: PASS ... / START=AGAIN. Ошибка: FAIL AT ... и точная причина.

Проверка проекта

Целевая версия проекта — Arduino-ESP32 3.3.10. В доступной среде исходный код дополнительно собран Arduino CLI с установленным Arduino-ESP32 3.3.0:

Target	Arduino-ESP32	Flash	RAM	Результат
ESP32-C3	3.3.0	1,049,316 B (80%)	44,312 B (13%)	PASS
ESP32-S3	3.3.0	980,407 B (74%)	53,456 B (16%)	PASS

Локальные unit-тесты: core tests: PASS, button tests: PASS. Они покрывают неделимый диапазон, END без дубля, ALL, границы допусков, немедленный FAIL, resolution, checksum настроек, CRC протокола и отсутствие short после long.

Физическое оборудование в этой среде недоступно, поэтому реальные оптические фронты, RMT DMA под длительной нагрузкой, дальность ESP-NOW и электрическая совместимость должны быть проверены на ваших платах. Сборка и программные тесты не выдаются за аппаратный тест.