基于μC/OS Ⅱ的三维打印机的控制系统研究

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凭借μC/OSⅡ灵活的任务间通信的能力，采用消息邮箱Mbox从数据生成任务中将打印数据传送给打印任务。在不同任务中，将暂时不需要工作的任务挂起，而将需要工作的任务恢复运行，圆满地实现了三维打印的快速、精确控制。
       
        0引言
       
        三维打印制造是近年来快速制造领域的热点技术之一，根据本小组的研究，采用μC/OSⅡ操作系统开发三维打印机，能够将打印机的各项工作分解为不同的任务，每个任务完成特定的一些工作，从程序模块的划分上，任务明确，层次清晰。其中关键是不同任务之间的同步与通信，凭借μC/OSⅡ系统灵活的任务间通信的能力，经过精心设计和调试，圆满地实现了任务间的通信。使各个任务协调一致、有条不紊的工作，实现了三维打印的快速、精确控制。
       
        1三维打印原理与控制系统简介
       
        三维打印机的打印头固定在一个确定的高度上，打印的零件处在打印头下面的工作台上，对零件从最底层往上进行逐层打印，打印完一层，工作台下移一层，再打印零件的上一层。工作台上下移动称为Z向移动，由一个控制Z向运动的电机驱动，在打印一个零件时，有两个送丝电机，一个送粗丝，用于基础骨架打印，另一个送细丝，用于零件精细部分的打印。打印前在PC计算机上对零件进行三维打印的数据处理，将零件分为若干层，每层厚度为Δh，每层按照最优方向划分为若干紧密相邻的剖面线，打印机打印的就是这些剖面线。打印确定的一层时，打印头的运动是一个二维平面运动，每一条线的打印，都是由X方向的驱动电机和Y方向的驱动电机协同工作，完成一条线的打印。这样逐条线打印直到打印完本层的所有线条，就完成了本层的打印。这样，共需要X向、Y向、Z向3个电机及2个送丝电机共计5个电机的实时控制，才能实现三维打印。因此三维打印可以视为一个五轴联动系统。
       
        对其控制系统研究的结果是，采用目前ARM最新版本V7架构的ARM Cortex M3作为主控器的CPU是很好的一个选择。这里选用的就是基于ARM Cortex M3内核的由意法半导体出品的STM32F103VE6T，该MCU为32位，主频72 MHz，内含512 KB的FLASH闪存，可以存放多达512 KB的程序代码，有64 KB RAM，8个多功能定时器。片内其他资源丰富，其速度和资源能很好地满足三维打印机的控制要求。选用了5个通用定时器分别作为X、Y、Z方向运动电机和2个送丝电机的控制器，选用定时器T6作为每条线段打印的总时间定时器。在对几种嵌入式操作系统进行比较后，选用了实时性最好、代码量最小、功能强大的μC/OSⅡ系统。在Keil集成仿真平台上完成了软件与硬件系统的设计开发与调试。
       
        2三维打印任务划分
       
        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显示器初始化、打印控制所需的6个定时器的初始化、打印头初始位置确定、打印头预热、打印模式设置等。
       
        打印过程中的工作划分为四个用户任务，具体内容见表1.
         
       
       
        再加上两个系统任务——空闲任务OSIdleTask（）和统计任务OSStatTask（），一共有6个任务在系统中运行。
       
        3三维打印任务间的通信
       
        μC/OSⅡ任务间通信的方法有多种，这里采用消息邮箱Mbox进行数据传送，采用若干全局变量作为工作状态标志和任务握手信号。在初始化结束后，执行了操作系统启动函数OSStar（t）后，系统就开始了任务调度与管理。
       
        任务1是触摸屏操作任务，其优先级最高。任务调度一开始，就会运行该任务。在该任务中对触摸屏进行两次数据读取，判断有没有屏幕操作，有屏幕操作的话，其位置在何处，是一个什么操作，再转向对应的程序进行处理。然后通过调用OSTaskSuspend（1）函数自行挂起。再次激活该任务是通过系统时钟节拍中断服务函数OSTickISR（）［6］，激活方法是在该函数中调用OSTa-skResume（1）即可。这样在时钟节拍中断函数退出后，由于任务1优先级最高而得到运行。由于点击屏幕操作的时间通常大于100 ms，因此系统时钟节拍中断函数的频率设置为200次/s.这样的频率足以捕获每次触摸屏操作。并且能够满足三维打印任务调度的所有实时需求。
       
        任务2是LCD显示任务，其优先级为次高，其激活与挂起的方法与任务1不同，而是在需要显示时，由需求的任务通过调用OSTaskResume（2）激活，显示字符送给显示器后，任务2通过调用OSTaskSuspend（2）函数自行挂起。
       
        打印过程的程序框图如图1所示。
       
       
        在任务3获得CPU的使用权时，在其中进行SD卡数据读取与数据处理，生成一条打印线的控制数据，生成的数据通过消息邮箱MboxPost（）发出，然后任务3通过调用OSTaskSuspend（3）函数自行挂起。其后任务4获得CPU的使用权，在其中通过调用OSMboxPend（）取得任务3所生成的那些数据，之后将这些数据送给控制各个电机运动的各个定时器，启动这些定时器开始工作，实际上就是启动了那些电机，从而启动了打印头的运动。然后通过调用OSTaskResume（3）函数将任务3恢复为就绪态，之后任务4通过调用OSTaskSuspend（4）函数自行挂起。而打印工作在几个定时器的控制下继续进行。同时任务3由于其较高的优先级，会获得CPU的使用权，从而进行下一个线段的数据生成。数据生成占用时间很短，数据生成后又通过OSMboxPos（t）发出。
       
        然后任务3通过调用OSTaskSuspend（3）函数又自行挂起。这时任务3和任务4都处于挂起状态。此时本条线段的打印还在进行，系统运行空闲任务OSIdleTask（）和统计任务OSStatTask（）。
       
        直到本线段打印完成后，负责打印总时间的定时器T6定时时间到，程序执行会进入T6的中断服务程序。
       
        在该中断服务程序内，先停止各电机的运转，也就是停止打印头的运动和送丝运动。然后又开始下一条线段的打印。周而复始，直到打印完本层。再打印下一层。
       
        直到所有层打印完成。
       
        4结语
       
        凭借μC/OSⅡ系统强大的多任务调度与管理能力，通过任务间的通信，实现了多任务实时操作，数据生成工作与打印工作同时进行，实现了三维打印的快速精确控制，提高了CPU的工作效率。