基于μC/OS Ⅱ的三維打印機的控制系統(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)運行，圓滿地實現(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快速制造領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一，根據(jù)本小組的研究，采用μC/OSⅡ操作系統(tǒng)開發(fā)三維打印機，能夠?qū)⒋蛴C的各項工作分解為不同的任務(wù)，每個任務(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)過精心設(shè)計和調(diào)試，圓滿地實現(xiàn)了任務(wù)間的通信。使各個任務(wù)協(xié)調(diào)一致、有條不紊的工作，實現(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)簡介

三維打印機的打印頭固定在一個確定的高度上，打印的零件處在打印頭下面的工作臺上，對零件從最底層往上進行逐層打印，打印完一層，工作臺下移一層，再打印零件的上一層。工作臺上下移動稱為Z向移動，由一個控制Z向運動的電機驅(qū)動，在打印一個零件時，有兩個送絲電機，一個送粗絲，用于基礎(chǔ)骨架打印，另一個送細絲，用于零件精細部分的打印。打印前在PC計算機上對零件進行三維打印的數(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，打印機打印的就是這些剖面線。打印確定的一層時，打印頭的運動是一個二維平面運動，每一條線的打印，都是由X方向的驅(qū)動電機和Y方向的驅(qū)動電機協(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個電機及2個送絲電機共計5個電機的實時控制，才能實現(xiàn)三維打印。因此三維打印可以視為一個五軸聯(lián)動系統(tǒng)。

對其控制系統(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512 KB的程序代碼，有64 KB RAM，8個多功能定時器。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的控制要求。選用了5個通用定時器分別作為X、Y、Z方向運動電機和2個送絲電機的控制器，選用定時器T6作為每條線段打印的總時間定時器。在對幾種嵌入式操作系統(tǒng)進行比較后，選用了實時性最好、代碼量最小、功能強大的μC/OSⅡ系統(tǒng)。在Keil集成仿真平臺上完成了軟件與硬件系統(tǒng)的設(shè)計開發(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個定時器的初始化、打印頭初始位置確定、打印頭預(yù)熱、打印模式設(shè)置等。

打印過程中的工作劃分為四個用戶任務(wù)，具體內(nèi)容見表1.

再加上兩個系統(tǒng)任務(wù)——空閑任務(wù)OSIdleTask（）和統(tǒng)計任務(wù)OSStatTask（），一共有6個任務(wù)在系統(tǒng)中運行。

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進行數(shù)據(jù)傳送，采用若干全局變量作為工作狀態(tài)標志和任務(wù)握手信號。在初始化結(jié)束后，執(zhí)行了操作系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStar（t）后，系統(tǒng)就開始了任務(wù)調(diào)度與管理。

任務(wù)1是觸摸屏操作任務(wù)，其優(yōu)先級最高。任務(wù)調(diào)度一開始，就會運行該任務(wù)。在該任務(wù)中對觸摸屏進行兩次數(shù)據(jù)讀取，判斷有沒有屏幕操作，有屏幕操作的話，其位置在何處，是一個什么操作，再轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的程序進行處理。然后通過調(diào)用OSTaskSuspend（1）函數(shù)自行掛起。再次激活該任務(wù)是通過系統(tǒng)時鐘節(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。這樣在時鐘節(jié)拍中斷函數(shù)退出后，由于任務(wù)1優(yōu)先級最高而得到運行。由于點擊屏幕操作的時間通常大于100 ms，因此系統(tǒng)時鐘節(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)度的所有實時需求。

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

打印過程的程序框圖如圖1所示。

在任務(wù)3獲得CPU的使用權(quán)時，在其中進行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)通過消息郵箱MboxPost（）發(fā)出，然后任務(wù)3通過調(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)送給控制各個電機運動的各個定時器，啟動這些定時器開始工作，實際上就是啟動了那些電機，從而啟動了打印頭的運動。然后通過調(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通過調(diào)用OSTaskSuspend（4）函數(shù)自行掛起。而打印工作在幾個定時器的控制下繼續(xù)進行。同時任務(wù)3由于其較高的優(yōu)先級，會獲得CPU的使用權(quán)，從而進行下一個線段的數(shù)據(jù)生成。數(shù)據(jù)生成占用時間很短，數(shù)據(jù)生成后又通過OSMboxPos（t）發(fā)出。