基于μC/OS Ⅱ的三維打印機的控制系統研究

憑借μC/OSⅡ靈活的任務間通信的能力，采用消息郵箱Mbox從數據生成任務中將打印數據傳送給打印任務。在不同任務中，將暫時不需要工作的任務掛起，而將需要工作的任務恢復運行，圓滿地實現了三維打印的快速、精確控制。

0引言

三維打印制造是近年來快速制造領域的熱點技術之一，根據本小組的研究，采用μC/OSⅡ操作系統開發(fā)三維打印機，能夠將打印機的各項工作分解為不同的任務，每個任務完成特定的一些工作，從程序模塊的劃分上，任務明確，層次清晰。其中關鍵是不同任務之間的同步與通信，憑借μC/OSⅡ系統靈活的任務間通信的能力，經過精心設計和調試，圓滿地實現了任務間的通信。使各個任務協調一致、有條不紊的工作，實現了三維打印的快速、精確控制。

1三維打印原理與控制系統簡介

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據處理，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方向的驅動電機和Y方向的驅動電機協同工作，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，才能實現三維打印。因此三維打印可以視為一個五軸聯動系統。

對其控制系統研究的結果是，采用目前ARM最新版本V7架構的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內核的由意法半導體出品的STM32F103VE6T，該MCU為32位，主頻72 MHz，內含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。在Keil集成仿真平臺上完成了軟件與硬件系統的設計開發(fā)與調試。

2三維打印任務劃分

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、打印頭預熱、打印模式設置等。

打印過程中的工作劃分為四個用戶任務，具體內容見表1.

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

3三維打印任務間的通信

μC/OSⅡ任務間通信的方法有多種，這里采用消息郵箱Mbox進行數據傳送，采用若干全局變量作為工作狀態(tài)標志和任務握手信號。在初始化結束后，執(zhí)行了操作系統啟動函數OSStar（t）后，系統就開始了任務調度與管理。

任務1是觸摸屏操作任務，其優(yōu)先級最高。任務調度一開始，就會運行該任務。在該任務中對觸摸屏進行兩次數據讀取，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，再轉向對應的程序進行處理。然后通過調用OSTaskSuspend（1）函數自行掛起。再次激活該任務是通過系統時鐘節(jié)拍中斷服務函數OSTickISR（）［6］，激活方法是在該函數中調用OSTa-skResume（1）即可。這樣在時鐘節(jié)拍中斷函數退出后，由于任務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，因此系統時鐘節(jié)拍中斷函數的頻率設置為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調度的所有實時需求。

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

打印過程的程序框圖如圖1所示。

在任務3獲得CPU的使用權時，在其中進行SD卡數據讀取與數據處理，生成一條打印線的控制數據，生成的數據通過消息郵箱MboxPost（）發(fā)出，然后任務3通過調用OSTaskSuspend（3）函數自行掛起。其后任務4獲得CPU的使用權，在其中通過調用OSMboxPend（）取得任務3所生成的那些數據，之后將這些數據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。然后通過調用OSTaskResume（3）函數將任務3恢復為就緒態(tài)，之后任務4通過調用OSTaskSuspend（4）函數自行掛起。而打印工作在幾個定時器的控制下繼續(xù)進行。同時任務3由于其較高的優(yōu)先級，會獲得CPU的使用權，從而進行下一個線段的數據生成。數據生成占用時間很短，數據生成后又通過OSMboxPos（t）發(fā)出。

然后任務3通過調用OSTaskSuspend（3）函數又自行掛起。這時任務3和任務4都處于掛起狀態(tài)。此時本條線段的打印還在進行，系統運行空閑任務OSIdleTask（）和統計任務OSStatTask（）。

直到本線段打印完成后，負責打印總時間的定時器T6定時時間到，程序執(zhí)行會進入T6的中斷服務程序。

在該中斷服務程序內，先停止各電機的運轉，也就是停止打印頭的運動和送絲運動。然后又開始下一條線段的打印。周而復始，直到打印完本層。再打印下一層。

直到所有層打印完成。

4結語

憑借μC/OSⅡ系統強大的多任務調度與管理能力，通過任務間的通信，實現了多任務實時操作，數據生成工作與打印工作同時進行，實現了三維打印的快速精確控制，提高了CPU的工作效率。