基于μC/OS Ⅱ的三維打印機(jī)的控制系統(tǒng)研究

憑借μC/OSⅡ靈活的任務(wù)間通信的能力，采用消息郵箱Mbox從數(shù)據(jù)生成任務(wù)中將打印數(shù)據(jù)傳送給打印任務(wù)。在不同任務(wù)中，將暫時(shí)不需要工作的任務(wù)掛起，而將需要工作的任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行，圓滿地實(shí)現(xiàn)了三維打印的快速、精確控制。

0引言

三維打印制造是近年來(lái)快速制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，根據(jù)本小組的研究，采用μC/OSⅡ操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)三維打印機(jī)，能夠?qū)⒋蛴C(jī)的各項(xiàng)工作分解為不同的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)完成特定的一些工作，從程序模塊的劃分上，任務(wù)明確，層次清晰。其中關(guān)鍵是不同任務(wù)之間的同步與通信，憑借μC/OSⅡ系統(tǒng)靈活的任務(wù)間通信的能力，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，圓滿地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)間的通信。使各個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)一致、有條不紊的工作，實(shí)現(xiàn)了三維打印的快速、精確控制。

1三維打印原理與控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

三維打印機(jī)的打印頭固定在一個(gè)確定的高度上，打印的零件處在打印頭下面的工作臺(tái)上，對(duì)零件從最底層往上進(jìn)行逐層打印，打印完一層，工作臺(tái)下移一層，再打印零件的上一層。工作臺(tái)上下移動(dòng)稱為Z向移動(dòng)，由一個(gè)控制Z向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在打印一個(gè)零件時(shí)，有兩個(gè)送絲電機(jī)，一個(gè)送粗絲，用于基礎(chǔ)骨架打印，另一個(gè)送細(xì)絲，用于零件精細(xì)部分的打印。打印前在PC計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行三維打印的數(shù)據(jù)處理，將零件分為若干層，每層厚度為Δh，每層按照最優(yōu)方向劃分為若干緊密相鄰的剖面線，打印機(jī)打印的就是這些剖面線。打印確定的一層時(shí)，打印頭的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)二維平面運(yùn)動(dòng)，每一條線的打印，都是由X方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作，完成一條線的打印。這樣逐條線打印直到打印完本層的所有線條，就完成了本層的打印。這樣，共需要X向、Y向、Z向3個(gè)電機(jī)及2個(gè)送絲電機(jī)共計(jì)5個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，才能實(shí)現(xiàn)三維打印。因此三維打印可以視為一個(gè)五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

對(duì)其控制系統(tǒng)研究的結(jié)果是，采用目前ARM最新版本V7架構(gòu)的ARM Cortex M3作為主控器的CPU是很好的一個(gè)選擇。這里選用的就是基于ARM Cortex M3內(nèi)核的由意法半導(dǎo)體出品的STM32F103VE6T，該MCU為32位，主頻72 MHz，內(nèi)含512 KB的FLASH閃存，可以存放多達(dá)512 KB的程序代碼，有64 KB RAM，8個(gè)多功能定時(shí)器。片內(nèi)其他資源豐富，其速度和資源能很好地滿足三維打印機(jī)的控制要求。選用了5個(gè)通用定時(shí)器分別作為X、Y、Z方向運(yùn)動(dòng)電機(jī)和2個(gè)送絲電機(jī)的控制器，選用定時(shí)器T6作為每條線段打印的總時(shí)間定時(shí)器。在對(duì)幾種嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行比較后，選用了實(shí)時(shí)性最好、代碼量最小、功能強(qiáng)大的μC/OSⅡ系統(tǒng)。在Keil集成仿真平臺(tái)上完成了軟件與硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與調(diào)試。

2三維打印任務(wù)劃分

所有需要在打印之前就完成的工作，全部放在初始化部分完成，例如I/O口的初始化、串行通信初始化、LCD顯示器初始化、打印控制所需的6個(gè)定時(shí)器的初始化、打印頭初始位置確定、打印頭預(yù)熱、打印模式設(shè)置等。

打印過(guò)程中的工作劃分為四個(gè)用戶任務(wù)，具體內(nèi)容見(jiàn)表1.

再加上兩個(gè)系統(tǒng)任務(wù)——空閑任務(wù)OSIdleTask（）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)OSStatTask（），一共有6個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中運(yùn)行。

3三維打印任務(wù)間的通信

μC/OSⅡ任務(wù)間通信的方法有多種，這里采用消息郵箱Mbox進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，采用若干全局變量作為工作狀態(tài)標(biāo)志和任務(wù)握手信號(hào)。在初始化結(jié)束后，執(zhí)行了操作系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)OSStar（t）后，系統(tǒng)就開(kāi)始了任務(wù)調(diào)度與管理。

任務(wù)1是觸摸屏操作任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)最高。任務(wù)調(diào)度一開(kāi)始，就會(huì)運(yùn)行該任務(wù)。在該任務(wù)中對(duì)觸摸屏進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)讀取，判斷有沒(méi)有屏幕操作，有屏幕操作的話，其位置在何處，是一個(gè)什么操作，再轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的程序進(jìn)行處理。然后通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend（1）函數(shù)自行掛起。再次激活該任務(wù)是通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR（）［6］，激活方法是在該函數(shù)中調(diào)用OSTa-skResume（1）即可。這樣在時(shí)鐘節(jié)拍中斷函數(shù)退出后，由于任務(wù)1優(yōu)先級(jí)最高而得到運(yùn)行。由于點(diǎn)擊屏幕操作的時(shí)間通常大于100 ms，因此系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷函數(shù)的頻率設(shè)置為200次/s.這樣的頻率足以捕獲每次觸摸屏操作。并且能夠滿足三維打印任務(wù)調(diào)度的所有實(shí)時(shí)需求。

任務(wù)2是LCD顯示任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)為次高，其激活與掛起的方法與任務(wù)1不同，而是在需要顯示時(shí)，由需求的任務(wù)通過(guò)調(diào)用OSTaskResume（2）激活，顯示字符送給顯示器后，任務(wù)2通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend（2）函數(shù)自行掛起。

打印過(guò)程的程序框圖如圖1所示。

在任務(wù)3獲得CPU的使用權(quán)時(shí)，在其中進(jìn)行SD卡數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)處理，生成一條打印線的控制數(shù)據(jù)，生成的數(shù)據(jù)通過(guò)消息郵箱MboxPost（）發(fā)出，然后任務(wù)3通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend（3）函數(shù)自行掛起。其后任務(wù)4獲得CPU的使用權(quán)，在其中通過(guò)調(diào)用OSMboxPend（）取得任務(wù)3所生成的那些數(shù)據(jù)，之后將這些數(shù)據(jù)送給控制各個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的各個(gè)定時(shí)器，啟動(dòng)這些定時(shí)器開(kāi)始工作，實(shí)際上就是啟動(dòng)了那些電機(jī)，從而啟動(dòng)了打印頭的運(yùn)動(dòng)。然后通過(guò)調(diào)用OSTaskResume（3）函數(shù)將任務(wù)3恢復(fù)為就緒態(tài)，之后任務(wù)4通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend（4）函數(shù)自行掛起。而打印工作在幾個(gè)定時(shí)器的控制下繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)任務(wù)3由于其較高的優(yōu)先級(jí)，會(huì)獲得CPU的使用權(quán)，從而進(jìn)行下一個(gè)線段的數(shù)據(jù)生成。數(shù)據(jù)生成占用時(shí)間很短，數(shù)據(jù)生成后又通過(guò)OSMboxPos（t）發(fā)出。

然后任務(wù)3通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend（3）函數(shù)又自行掛起。這時(shí)任務(wù)3和任務(wù)4都處于掛起狀態(tài)。此時(shí)本條線段的打印還在進(jìn)行，系統(tǒng)運(yùn)行空閑任務(wù)OSIdleTask（）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)OSStatTask（）。

直到本線段打印完成后，負(fù)責(zé)打印總時(shí)間的定時(shí)器T6定時(shí)時(shí)間到，程序執(zhí)行會(huì)進(jìn)入T6的中斷服務(wù)程序。

在該中斷服務(wù)程序內(nèi)，先停止各電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是停止打印頭的運(yùn)動(dòng)和送絲運(yùn)動(dòng)。然后又開(kāi)始下一條線段的打印。周而復(fù)始，直到打印完本層。再打印下一層。

直到所有層打印完成。

4結(jié)語(yǔ)

憑借μC/OSⅡ系統(tǒng)強(qiáng)大的多任務(wù)調(diào)度與管理能力，通過(guò)任務(wù)間的通信，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)實(shí)時(shí)操作，數(shù)據(jù)生成工作與打印工作同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了三維打印的快速精確控制，提高了CPU的工作效率。