Полностью рабочий Arduino IDE-проект для строгой проверки оптического цифрового канала. Устройство формирует PWM на выбранной частоте, последовательно уменьшает длительность импульса по заданному списку и проверяет ответ канала: частоту и длительность импульса. Поддерживаются роли SOLO, MASTER и SLAVE; роли выбираются только вручную.

Что реализовано

неблокирующий конечный автомат без pulseIn() и длинных delay();
аппаратные LEDC (C3) и MCPWM (S3) с расчётом реально получившихся частоты и длительности импульса;
Arduino-ESP32 3.3.10: на S3 два аппаратных канала MCPWM Capture из отдельной группы фиксируют RISING и FALLING в независимых регистрах общего 32-битного таймера 80 МГц;
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 отдельному импульсу или периоду вне допуска;
десять измерительных участков на каждой длительности импульса 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 длительностей, ALL, допуски, статистика;
Buttons.* — автомат двух кнопок;
SettingsStore.* — NVS;
Display.* — OLED и компактное форматирование;
Log.* — журнал действий и Serial-зеркало интерфейса;
Pwm.* — LEDC / MCPWM;
Receiver.* — MCPWM Capture на S3 / совместимый GPIO fallback;
Measurement.* — строгая проверка периодов;
Protocol.*, Radio.* — ESP-NOW;
App.* — общий конечный автомат SOLO/MASTER/SLAVE.

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 аппаратным дробным делителем Q10.8. На ESP32-S3 используется отдельный MCPWM со счётчиком 20 МГц: это позволяет формировать 500 Гц в пределах 16-битного счётчика и сохраняет шаг импульса 50 нс. PWM_ACTIVE_LEVEL задаёт электрический уровень активной части тестового импульса на обеих платах; остальная часть работающего PWM имеет противоположный уровень. PWM_SAFE_LEVEL применяется только при остановленном PWM и во сне. Перед началом точки прошивка проверяет, что фактические частота и длительность импульса укладываются в выбранную точность.

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 длительности импульса и десять измерительных участков внутри неё.

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 аппаратных фронтов. 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:

Базовый активный уровень входа задаёт RX_ACTIVE_LEVEL, но во время теста полярность определяется автоматически по первому полному периоду и фиксируется до следующего запуска приёмника. Прошивка сравнивает длительности обоих уровней с заданным импульсом и использует более близкую. Например, для 2 кГц и 200 мкс автоматически выбирается 200 мкс, а не дополнение 300 мкс. При заполнении 50% обе полярности эквивалентны.

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, FINISHED или SLAVE READY OLED выключается, а ESP переходит в непрерывный light sleep без периодических таймерных пробуждений. Пока открыто меню настроек, light sleep запрещён, поэтому кнопки остаются отзывчивыми независимо от времени настройки. Экран и текущее состояние сохраняются. START и MODE будят любую роль, а фронт на оптическом входе дополнительно будит Slave. После пробуждения прошивка полностью перезапускает драйверы USB Serial и I²C, а в режиме Slave также восстанавливает ESP-NOW.

START и MODE будят устройство. Первое, пробуждающее нажатие не выполняет действие и полностью подавляется до отпускания кнопки; действие выполняет только следующее нажатие. Оптический wake-сигнал также немедленно выводит Slave из энергосбережения. Тайм-аут задаётся IDLE_POWER_SAVE_TIMEOUT_MS в Config.h.

Настройки теста

Меню содержит пять параметров:

частота ШИМ из PWM_FREQUENCY_OPTIONS_HZ;
максимальная длительность импульса из отдельного MAX_PULSE_OPTIONS_NS;
минимальная длительность импульса из отдельного MIN_PULSE_OPTIONS_NS;
точность;
время выборки.

Тест работает на одной выбранной частоте и проходит длительности из списка от максимальной к минимальной. Значения, равные периоду или превышающие его, автоматически исключаются при выборе частоты. На S3 минимальная длительность ограничивается расчётной точностью генератора и MCPWM Capture 80 МГц: длинная пауза не снижает точность короткого импульса. Меню не позволяет задать точку, которой аппаратно не хватает выбранного допуска. Сохранённые индексы и их сочетания проверяются и приводятся к допустимому диапазону.

MAX и MIN имеют независимые массивы и независимые индексы. Сам тест проходит отдельный полный список TEST_PULSE_WIDTHS_NS. Все пункты меню зациклены: после последнего допустимого значения выбирается первое, а при движении назад перед первым выбирается последнее.

ALL пересчитывается после изменения частоты, границ импульса или времени выборки и отображается с точностью до целой секунды. Для каждой точки учитывается:

max(TEST_TIME, periods / RX_PROCESSING_PERIODS_PER_SECOND)
+ 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.

Строгая проверка

После каждой перенастройки PWM приёмник:

автоматически определяет полярность Rx; отдельные каналы MCPWM Capture S3 фиксируют RISING и FALLING в независимых регистрах общего 32-битного таймера 80 МГц, чтобы близкий второй фронт не перезаписал первый;
отбрасывает ровно PWM_SETTLE_CYCLES полных периодов;
очищает статистику;
непрерывно держит MCPWM Capture включённым на всём измерительном этапе, проверяет каждый полный импульс ровно один раз и на десяти границах TEST TIME показывает промежуточный результат; границы прогресса не останавливают capture и не выбрасывают пересекающий их импульс. Между длительностями сначала останавливается PWM, затем capture, поэтому очистка очереди не пересекается с ISR.

Каждый полный период и каждый активный импульс проверяются отдельно с выбранным относительным допуском 1%, 2%, 5% или 10%. Поэтому единичное искажение не растворяется в среднем остальных импульсов. После трёх начальных фронтов приёмник работает как простой автомат чередующихся интервалов «импульс — пауза»: тип последующих фронтов не используется, а лишний или потерянный фронт превращается в конкретный PULSE OUT или PERIOD OUT, не в абстрактный GLITCH. Для одного измерения допускается только коррекция на один такт приёмного таймера в сторону заданного значения — это неизбежная неопределённость фиксации фронта. Если после неё конкретная частота или длительность остаётся вне допуска, тест немедленно завершается ошибкой. Накопленное среднее используется только для строк F:..., P:... и итогового журнала. Переполнение очереди фронтов немедленно даёт DATA LOSS ERROR.

Во время этапа OLED показывает заданную точку и измеренный ответ, например:

TEST: 2kHz, 2us
F:2.000k, P:2.00u

При ошибке сохраняется прежний двухстрочный стиль с конкретным значением, вышедшим за допуск:

FAIL AT 2kHz, 200us
PULSE OUT 300.01u

В MASTER/SLAVE передаются выбранная и фактическая длительность импульса и измеренный результат. На принимающей стороне полярность Rx определяется автоматически.

Незавершённый период в начале и конце временного участка не учитывается. Общая статистика и отображаемое среднее по всем принятым полным периодам этапа сохраняются, но решение PASS/FAIL принимается по каждому импульсу отдельно.

Причины: NO SIGNAL, PERIOD OUT, DUTY OUT (в интерфейсе — ошибка длительности импульса), EXTRA EDGE, GLITCH, LOST EDGE, DATA LOSS ERROR, LINK LOST, UNSUPPORTED, RESOLUTION, ABORTED.

Пределы

C3 и S3: настраиваемый строгий предел до 1 МГц;
выше строгого аппаратного предела выдаётся UNSUPPORTED, ослабленной проверки нет;
комбинации, для которых PWM или аппаратный capture не дают выбранную точность, отсекаются ещё в меню; повторная проверка перед стартом остаётся защитой от аппаратного сбоя.

Реальный предел зависит от конкретной платы, разводки, формы фронтов, Wi-Fi нагрузки и оптического оборудования. Начинайте проверку с 2 кГц и импульсов 200…2 мкс.

Первый запуск SOLO

Соберите схему SOLO и ещё раз убедитесь, что на GPIO_RX не бывает напряжения выше 3.3 В.
Откройте Serial Monitor на 115200 baud.
Включите плату. На OLED должно быть MODE: SOLO / START=RUN.
Если выбран другой режим, коротко нажимайте MODE до SOLO.
Для первого опыта оставьте defaults: 2 кГц, импульсы 200…2 мкс, accuracy 5%. Полярность Rx определяется автоматически.
Коротко нажмите START.
Serial покажет запрошенные и фактические параметры PWM, список длительностей, ALL и статистику каждой точки.
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 собран Arduino CLI с этой версией:

Target	Arduino-ESP32	Flash	RAM	Результат
ESP32-C3	3.3.10	1,045,075 B (79%)	41,012 B (12%)	PASS
ESP32-S3	3.3.10	976,233 B (74%)	49,812 B (15%)	PASS

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

README.md Unescape Escape

Optical Channel Tester — ESP32-C3 / ESP32-S3