基于μC/OS Ⅱ的三維打印機任務間的通信技術研究

摘 要： 簡要介紹了三維打印機原理與控制系統，重點論述了采用μC/OS Ⅱ操作系統開發三維打印機中任務的劃分及任務間的通信技術。將三維打印分為4個用戶任務，分別是觸摸屏操作任務，顯示屏顯示任務，數據生成任務，打印任務。憑借μC/OS Ⅱ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。

關鍵字：三維打印； μC/OS Ⅱ； 用戶任務； 互相通信

中圖分類號： TN915.9?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0136?03

Research on the tasks intercommunicate technology of

the 3D printer based on the μC/OSⅡ

BI Hong?yan， ZHAO Bo， WEI Tian?tian， DING Hao

（Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract： The principle and control system of 3D printer is introduced. The tasks division and intercommunication technology of the 3D printer based on μC/OS II is mainly discussed. The 3D printing was divided into four tasks： touchscreen operation task， LCD display task， data generate task and print out task. Rely on the agile tasks intercommunicate ability of μC/OS II， the print data was sent from data generation task to print task by Mbox. In different tasks， the needed task is resumed and the unneeded tasks are hung up. In this way， the fast and accuracy control of 3D print is realized.

Keywords： 3D print； μC/OS II； user task； intercommunicate

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/OS Ⅱ系統靈活的任務間通信的能力[1?3]，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[4]。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[5]。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/OS Ⅱ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/OS Ⅱ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標志和任務握手信號。在初始化結束后，執行了操作系統啟動函數OSStart（）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拍中斷服務函數OSTickISR（）[6]，激活方法是在該函數中調用OSTaskResume（1）即可。這樣在時鐘節拍中斷函數退出后，由于任務1優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。

圖1 采用μC/OS Ⅱ系統的三維打印程序框圖

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，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進行。同時任務3由于其較高的優先級，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OSMboxPost（）發出。

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。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/OS Ⅱ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。

注：本文通訊作者為趙博。

參考文獻

[1] 王曉薇，孫靜，劉天華.嵌入式操作系統μC/OS Ⅱ及其應用開發[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2] 劉波文，孫巖.嵌入式實時操作系統μC/OS Ⅱ經典實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3] 佚名.Cortex?M3內核的μC/OS Ⅱ性能研究[EB/OL].[2012?02?01].http：//www.elecfans.com/emb/app.

[4] STMicroelectronics group of companies. STM32F103xE [EB/OL]. [2013?08?23]. http：//www.st.com.

[5] 佚名.3D打印技術[EB/OL].[2013?08?13].http：//wenku.baidu.com/view.

[6] 馬超.STM32中斷優先級相關概念與使用筆記[EB/OL].[2013?08?01].http：//wenku.baidu.com/view.

作者簡介：畢宏彥 男，1953年出生，碩士，副教授，高級工程師。長期從事嵌入式控制系統的開發研究。在中文核心期刊發表論文十余篇，主編教材與專著4本，獲國家專利十余項。

趙 博 碩士研究生。

衛甜甜 碩士研究生。

丁 浩 碩士研究生。