marlin固件烧录教程_Marlin固件的步进电机控制代码解析
对于入行一年的我来说,桌面级FDM打印机很多功能细节,我还没能仔细了解:藏在固件代码背后的信息内容,我也远没有完全消化。这正说明一个简单的道理:消化一段代码的最有效方法是对其移植或者重写。换言之,仅仅是走马观花的浏览一遍,除非自己曾经编写过类似程序,很难能透彻的领会固件代码的精髓。特别是对Marlin这个数百名(可能不准确)开源工程师贡献和维护的大型固件项目。
Marlin的步进电机驱动子系统,是由中断响应函数实现的。如果是恒定速度的步进电机驱动,实现就和这句话一样简单。不过对于3D打印机系统,x,y轴的运动往往速度变化非常频繁:不仅在每次更新位置的速度不同,而且每一段位移的速度也需要经历加速,恒速和减速阶段。这是由机械系统的惯性特征决定的:如果不同动作之间的速度衔接不好,会对电路系统造成强大的电流冲击。特别是3D打印过程,这种速度的变化每次打印任务都数以万计,这就意味着电路寿命将大打折扣。
Marlin系统的速度衔接[1],这是一个支撑步进电机速度和控制器计数器频率关系的算法理论,由IBM的工程师于1994年发表并于2004年在控制器内实现。这里算法实现的关键在于路径规划器(planner)。路径规划器的设计意味着,程序在执行步进电机的动作之前,就已经计算好了整个过程的速度曲线。后面就只是Stepper模块忠实地执行。
在机器层面,这样的设计减少了中断响应函数中的运算量,这对于单片机来说非常友好。同时3D打印机的机械运动相比控制器的16M主频来说要慢很多,路径规划器相比直接驱动,增加了一个运动缓存。这样就能够有效的利用控制器的高频率,里面蕴藏着“空间换取时间”的思想。
在代码层面,planner的本质在于对于一个FIFO的管理。使用C++的结构体指针数据结构能够非常优雅的实现这个缓存的创建和管理:planner.h:typedef struct {
// Fields used by the bresenham algorithm for tracing the line
long steps_x, steps_y, steps_z, steps_e; // Step count along each axis
unsigned long step_event_count; // The number of step events required to complete this block
long accelerate_until; // The index of the step event on which to stop acceleration
long decelerate_after; // The index of the step event on which to start decelerating
long acceleration_rate; // The acceleration rate used for acceleration calculation
unsigned char direction_bits; // The direction bit set for this block (refers to *_DIRECTION_BIT in config.h)
float nominal_speed; // The nominal speed for this block in mm/sec
float entry_speed; // Entry speed at previous-current junction in mm/sec
float max_entry_speed; // Maximum allowable junction entry speed in mm/sec
float millimeters; // The total travel of this block in mm
float acceleration; // acceleration mm/sec^2
unsigned char recalculate_flag; // Planner flag to recalculate trapezoids on entry junction
unsigned char nominal_length_flag; // Planner flag for nominal speed always reached
// Settings for the trapezoid generator
unsigned long nominal_rate; // The nominal step rate for this block in step_events/sec
unsigned long initial_rate; // The jerk-adjusted step rate at start of block
unsigned long final_rate; // The minimal rate at exit
unsigned long acceleration_st; // acceleration steps/sec^2
unsigned long fan_speed;
#ifdef BARICUDA
unsigned long valve_pressure;
unsigned long e_to_p_pressure;
#endif
volatile char busy;
} block_t;
block_t block_buffer[BLOCK_BUFFER_SIZE]; // A ring buffer for motion instfructions
volatile unsigned char block_buffer_head; // Index of the next block to be pushed
volatile unsigned char block_buffer_tail;
volatile 关键字确保了队列头和队列尾被不同函数访问过程中,编译器不会因为优化和丢失更改行为。block_t类型的指针可以方便的方位结构体内任何元素。在后面的planner规划动作plan_buffer_line()中,代码可以用非常优雅的结构体指针来完成。
每当3D打印机解析到位移指令的时候,plan_buffer_line()函数就被调用。在里面新的block_t首先被创建,并且排入队列的队尾;然后执行calculate_trapezoid_for_block(),计算新的block_t的关键速度节点及其对应的step数目;接着更新队列里面所有block_t的连接速度:之前队尾的block_t的收尾速度和相关速度节点会被更新。最后调用st_wake_up()保证stepper执行的中断打开。
而在%steppper中,ISR函数负责在主循环之外,执行队列里可能存在的所有block_t。在ISR中,首先由plan_get_current_block()读取队列首的block_t,然后按照结构成员的step数,调用STEP_ADD和STEP_IF_COUNTER两个宏来执行x,y,z三轴的运动。ISR每执行一次,三路各发出一个脉冲,并通过lamp ramp算法更新,根据下一个速度值来更新OCR1A寄存器来设定下一次中断响应的周期。
整个软件C++实现妙至毫巅。建议大家在win环境使用eclipse来查看Cpp工程。eclipse对条件预编译的支持非常完美,#if def能够准确显隐,可读性非常好(见下图)。全局查询,go to define等功能也很完备。
另外,eclipse有丰富的快捷键支持看代码:用ctrl+shift+G就能查到变量的引用;F12就能查到变量的定义。Alt+左键 /右键回到之前的鼠标位置和之后的鼠标位置;用CTRL+SHIFT+P就能寻找括号的另外一半。
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