编程技术分享

分享编程知识，探讨技术创新

0%

简介：它来了！小尺寸/低成本/能刷Klipper固件的6轴3D打印机控制板它来了！

发表于 分类于 ， ，

当然！很高兴能和你一起深入探讨这款小巧而强大的6轴3D打印机控制板的嵌入式软件开发。作为一名高级嵌入式软件开发工程师，我将从需求分析开始，逐步构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，并详细阐述代码设计架构以及具体的C代码实现。整个过程会结合我多年的实践经验，确保所采用的技术和方法都是经过验证的。
关注微信公众号，提前获取相关推文

项目概述与需求分析

项目名称： 小尺寸低成本6轴3D打印机控制板嵌入式软件系统

项目目标： 为这款6轴3D打印机控制板设计并实现一套完整的嵌入式软件系统，使其能够稳定可靠地控制3D打印机的各项功能，并兼容Klipper固件，满足用户对高性能、低成本、易用性的需求。

需求分析：

  1. 硬件平台支持：

    • 处理器： 选择合适的微控制器（MCU），需要考虑性能、成本、外设资源和社区支持。常见的选择包括STM32系列、ESP32系列等。考虑到Klipper的运行需求，建议选择具有较高主频和足够Flash/RAM资源的MCU。
    • 轴数支持： 支持6个轴的步进电机驱动，包括X、Y、Z轴以及可能的挤出机轴（E0、E1）和额外的辅助轴。
    • 电机驱动接口： 提供与步进电机驱动器连接的接口，通常是脉冲/方向（STEP/DIR）信号。
    • 温度传感器接口： 支持热敏电阻或热电偶等温度传感器，用于控制热床和喷头温度。
    • 加热器控制接口： PWM控制接口，用于驱动加热棒或加热片。
    • 限位开关接口： 用于检测轴的极限位置，实现归零和安全保护。
    • 风扇控制接口： PWM控制接口，用于控制散热风扇和零件冷却风扇。
    • 通信接口： USB接口用于连接上位机（如运行Klipper的树莓派），UART接口可能用于调试或其他扩展。
    • 电源管理： 稳定的电源输入和分配，保护电路。
    • 扩展接口： 预留扩展接口，方便用户添加额外的传感器、模块或功能。

  2. 软件功能需求：

    • 底层驱动：
      • GPIO驱动：控制电机驱动器、加热器、风扇、限位开关等。
      • 定时器驱动：生成步进电机脉冲、PWM信号，实现精确延时和定时任务。
      • ADC驱动：读取温度传感器数据。
      • UART驱动：实现与上位机（Klipper）的通信。
      • USB驱动：实现USB虚拟串口通信（如果需要USB Klipper）。
    • 运动控制：
      • 步进电机控制：精确控制步进电机的步数、方向和速度，实现平滑的运动。
      • 加速度控制：支持加速度和减速度控制，减少机械振动和提高打印质量。
      • 插补算法：实现直线插补、圆弧插补等，生成平滑的运动轨迹。
      • 轴同步运动：控制多个轴协同运动。
      • 归零（Homing）：自动将各轴移动到原点位置。
      • 限位保护：检测限位开关信号，防止电机超出行程范围。
    • 温度控制：
      • 温度读取：读取热敏电阻或热电偶的温度数据。
      • PID控制：实现PID算法，精确控制热床和喷头温度。
      • 热保护：防止温度过高或过低，确保安全运行。
    • 通信协议：
      • Klipper协议：实现与Klipper主机软件的通信协议，接收指令并发送状态信息。
      • 调试接口：提供调试接口，方便开发和故障排除。
    • 配置管理：
      • 参数配置：支持配置电机步进参数、温度PID参数、限位开关状态等。
      • 固件升级：支持通过USB或SD卡等方式进行固件升级。
    • 安全性和可靠性：
      • 看门狗：防止程序跑飞，提高系统稳定性。
      • 错误处理：完善的错误处理机制，能够检测和处理各种异常情况。
      • 过流保护、过温保护等硬件保护机制（硬件层面实现，软件配合）。

  3. 性能需求：

    • 实时性： 运动控制和温度控制需要实时响应，确保打印精度和质量。
    • 效率： 代码需要高效运行，占用资源少，保证系统流畅性。
    • 稳定性： 系统需要长时间稳定运行，不易崩溃。

  4. 可扩展性：

    • 模块化设计： 采用模块化设计，方便添加新的功能模块或修改现有模块。
    • 接口预留： 预留硬件和软件接口，方便用户进行二次开发。

代码设计架构

为了构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台，我将采用分层架构的设计思想，将系统划分为不同的层次，每一层负责不同的功能，层与层之间通过明确定义的接口进行通信。这种架构具有以下优点：

  • 模块化： 系统被分解为独立的模块，易于开发、测试和维护。
  • 可移植性： 硬件抽象层（HAL）隔离了硬件细节，方便系统移植到不同的硬件平台。
  • 可扩展性： 新的功能模块可以很容易地添加到系统中，而不会影响现有模块。
  • 可维护性： 修改一个模块的代码不会影响其他模块，降低了维护成本。

系统架构图：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
+-----------------------+
|    应用层 (Application Layer)     |  (运动规划、G代码解析、Klipper协议处理)
+-----------------------+
|  系统服务层 (System Service Layer) |  (温度控制、运动控制、通信管理、配置管理)
+-----------------------+
| 操作系统抽象层 (OSAL)    |  (任务调度、同步机制、内存管理 - 可选，简单系统可省略)
+-----------------------+
|  硬件抽象层 (HAL)      |  (GPIO、定时器、ADC、UART、USB等硬件驱动抽象接口)
+-----------------------+
|  硬件平台 (Hardware Platform)   |  (MCU、外围器件)
+-----------------------+

各层功能详细描述：

  1. 硬件平台 (Hardware Platform):

    • 指具体的硬件电路板，包括MCU、步进电机驱动芯片、温度传感器、加热器驱动电路、电源管理芯片、通信接口等。
    • 这是整个系统的物理基础。

  2. 硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer):

    • 目的： 屏蔽底层硬件的差异，为上层提供统一的硬件访问接口。
    • 功能：
      • GPIO驱动抽象： 定义GPIO的初始化、输出、输入等操作接口，上层无需关心具体的GPIO寄存器操作。
      • 定时器驱动抽象： 定义定时器的初始化、启动、停止、设置周期、中断处理等操作接口。
      • ADC驱动抽象： 定义ADC的初始化、采样、读取数据等操作接口。
      • UART驱动抽象： 定义UART的初始化、发送、接收、中断处理等操作接口。
      • USB驱动抽象： 定义USB的初始化、数据传输、事件处理等操作接口（如果使用USB Klipper）。
      • 其他硬件外设的驱动抽象： SPI、I2C等（如果需要）。
    • 实现方式： 使用C语言编写，针对具体的MCU和外围器件，实现HAL层的接口函数。
    • 优点： 提高代码的可移植性，当更换硬件平台时，只需要修改HAL层代码，上层代码无需改动。

  3. 操作系统抽象层 (OSAL - Operating System Abstraction Layer) (可选):

    • 目的： 如果系统使用RTOS（实时操作系统），OSAL层用于抽象RTOS的接口，方便在不同RTOS之间切换，或者在裸机系统和RTOS系统之间切换。对于简单的嵌入式系统，可以省略OSAL层，直接在裸机环境下开发。
    • 功能（如果使用RTOS）：
      • 任务管理抽象： 任务创建、删除、挂起、恢复等操作接口。
      • 同步机制抽象： 互斥锁、信号量、事件标志组等同步机制的抽象接口。
      • 内存管理抽象： 动态内存分配和释放的抽象接口。
      • 时间管理抽象： 系统时钟、延时函数等抽象接口。
    • 实现方式： 根据选择的RTOS，实现OSAL层的接口函数，将RTOS的API封装起来。
    • 优点： 提高代码的可移植性，方便在不同RTOS之间切换。 对于本项目，如果系统复杂度不高，可以考虑裸机开发，简化系统结构。如果需要更复杂的任务管理和调度，可以考虑使用FreeRTOS等轻量级RTOS。

  4. 系统服务层 (System Service Layer):

    • 目的： 提供核心的系统服务，供应用层调用。
    • 功能：
      • 温度控制模块：
        • 温度传感器数据采集。
        • PID算法实现。
        • 加热器PWM控制。
        • 温度监控和保护。
      • 运动控制模块：
        • 步进电机驱动控制（脉冲生成、方向控制）。
        • 加速度/减速度控制。
        • 插补算法（直线、圆弧等）。
        • 轴同步控制。
        • 归零控制。
        • 限位开关检测和处理。
      • 通信管理模块：
        • Klipper协议解析和处理。
        • 数据打包和发送。
        • 命令解析和执行。
        • 调试接口实现。
      • 配置管理模块：
        • 参数加载和保存（Flash或EEPROM）。
        • 配置参数校验。
        • 固件升级管理。
    • 实现方式： 使用C语言编写，调用HAL层提供的硬件接口，实现各种系统服务功能。模块之间通过函数调用或消息队列等方式进行通信。
    • 特点： 系统服务层是整个系统的核心，负责实现关键的控制逻辑和算法。

  5. 应用层 (Application Layer):

    • 目的： 实现具体的应用逻辑，例如3D打印机的运动规划、G代码解析、Klipper协议处理等。
    • 功能：
      • 运动规划： 根据G代码指令，生成运动轨迹，发送给运动控制模块执行。
      • G代码解析： 解析G代码指令，提取运动参数、温度参数等。
      • Klipper协议处理： 与Klipper主机软件进行协议通信，接收指令，发送状态信息。
      • 用户界面（可选）： 如果需要，可以实现简单的用户界面，例如通过LCD屏幕或串口命令行进行交互。
    • 实现方式： 使用C语言编写，调用系统服务层提供的接口，实现具体的应用逻辑。
    • 特点： 应用层是面向用户的，实现用户可见的功能。

C代码实现 (部分关键模块示例)

由于篇幅限制，这里无法提供完整的3000行代码，但我将重点展示关键模块的代码实现，并详细解释代码逻辑和设计思路。以下代码示例基于STM32平台，并假设使用裸机开发（不使用RTOS）。

1. 硬件抽象层 (HAL) - GPIO驱动 (hal_gpio.h 和 hal_gpio.c)

hal_gpio.h:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
#ifndef HAL_GPIO_H
#define HAL_GPIO_H

#include "stdint.h"

// 定义GPIO端口和引脚
typedef enum {
    GPIO_PORT_A,
    GPIO_PORT_B,
    GPIO_PORT_C,
    // ... 其他端口
    GPIO_PORT_MAX
} gpio_port_t;

typedef enum {
    GPIO_PIN_0,
    GPIO_PIN_1,
    GPIO_PIN_2,
    // ... 其他引脚
    GPIO_PIN_MAX
} gpio_pin_t;

// 定义GPIO模式
typedef enum {
    GPIO_MODE_INPUT,
    GPIO_MODE_OUTPUT,
    GPIO_MODE_AF // 复用功能
} gpio_mode_t;

// 定义GPIO输出类型
typedef enum {
    GPIO_OUTPUT_TYPE_PP, // 推挽输出
    GPIO_OUTPUT_TYPE_OD  // 开漏输出
} gpio_output_type_t;

// 定义GPIO上拉/下拉
typedef enum {
    GPIO_PULL_NONE,
    GPIO_PULL_UP,
    GPIO_PULL_DOWN
} gpio_pull_t;

// 初始化GPIO
void hal_gpio_init(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin, gpio_mode_t mode, gpio_output_type_t output_type, gpio_pull_t pull);

// 设置GPIO输出电平
void hal_gpio_write(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin, uint8_t value);

// 读取GPIO输入电平
uint8_t hal_gpio_read(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin);

#endif // HAL_GPIO_H

hal_gpio.c:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
#include "hal_gpio.h"
#include "stm32f4xx_hal.h" // STM32 HAL库头文件，根据具体MCU型号修改

// GPIO端口基地址映射表 (根据STM32F4xx参考手册填写)
static GPIO_TypeDef* gpio_port_bases[] = {GPIOA, GPIOB, GPIOC, /* ... 其他端口基地址 */};

void hal_gpio_init(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin, gpio_mode_t mode, gpio_output_type_t output_type, gpio_pull_t pull) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_TypeDef* GPIOx = gpio_port_bases[port];
    uint16_t GPIO_Pin = (1 << pin); // 将引脚号转换为位掩码

    // 使能GPIO时钟 (根据具体端口修改RCC时钟使能)
    if (port == GPIO_PORT_A) {
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    } else if (port == GPIO_PORT_B) {
        __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    } else if (port == GPIO_PORT_C) {
        __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    } // ... 其他端口时钟使能

    // 配置GPIO模式
    if (mode == GPIO_MODE_INPUT) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    } else if (mode == GPIO_MODE_OUTPUT) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 默认推挽输出
        if (output_type == GPIO_OUTPUT_TYPE_OD) {
            GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出
        }
    } else if (mode == GPIO_MODE_AF) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 默认复用推挽
    }

    // 配置GPIO上拉/下拉
    if (pull == GPIO_PULL_UP) {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    } else if (pull == GPIO_PULL_DOWN) {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    } else {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    }

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_Pin;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 可根据需求调整速度

    HAL_GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStruct);
}

void hal_gpio_write(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin, uint8_t value) {
    GPIO_TypeDef* GPIOx = gpio_port_bases[port];
    uint16_t GPIO_Pin = (1 << pin);

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOx, GPIO_Pin, (GPIO_PinState)value);
}

uint8_t hal_gpio_read(gpio_port_t port, gpio_pin_t pin) {
    GPIO_TypeDef* GPIOx = gpio_port_bases[port];
    uint16_t GPIO_Pin = (1 << pin);

    return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin);
}

代码解释:

  • hal_gpio.h: 定义了GPIO驱动的接口，包括GPIO端口、引脚、模式、输出类型、上拉/下拉等枚举类型，以及初始化、写入、读取等函数声明。
  • hal_gpio.c: 实现了hal_gpio.h中声明的函数。
    • gpio_port_bases数组用于存储GPIO端口的基地址，方便通过端口枚举值索引到对应的寄存器地址。
    • hal_gpio_init()函数根据传入的参数配置GPIO的模式、输出类型、上拉/下拉等，并使用STM32 HAL库函数HAL_GPIO_Init()进行初始化。
    • hal_gpio_write()和hal_gpio_read()函数分别使用HAL_GPIO_WritePin()和HAL_GPIO_ReadPin()函数进行GPIO的输出和读取操作。

2. 系统服务层 - 运动控制模块 (motion_control.h 和 motion_control.c)

motion_control.h:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
#ifndef MOTION_CONTROL_H
#define MOTION_CONTROL_H

#include "stdint.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "hal_timer.h" // 假设有定时器HAL驱动

// 定义轴枚举
typedef enum {
    AXIS_X,
    AXIS_Y,
    AXIS_Z,
    AXIS_E0,
    AXIS_E1,
    AXIS_AUX,
    AXIS_MAX
} axis_t;

// 定义运动方向
typedef enum {
    DIRECTION_CW,  // 顺时针
    DIRECTION_CCW // 逆时针
} direction_t;

// 电机配置结构体
typedef struct {
    gpio_port_t step_port;
    gpio_pin_t step_pin;
    gpio_port_t dir_port;
    gpio_pin_t dir_pin;
    float steps_per_mm; // 每毫米步数
    float max_speed;     // 最大速度 (mm/s)
    float acceleration;  // 加速度 (mm/s^2)
    // ... 其他参数，如最大行程、最小行程等
} motor_config_t;

// 初始化运动控制模块
void motion_control_init();

// 配置电机参数
void motion_control_config_motor(axis_t axis, motor_config_t *config);

// 设置轴运动方向
void motion_control_set_direction(axis_t axis, direction_t direction);

// 步进电机走一步
void motion_control_step(axis_t axis);

// 轴归零
void motion_control_homing(axis_t axis);

// 运动到指定位置 (直线插补简化示例，实际应用需要更复杂的插补算法)
void motion_control_move_to(float x, float y, float z, float e0, float e1, float aux, float speed);

#endif // MOTION_CONTROL_H

motion_control.c:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
#include "motion_control.h"
#include "delay.h" // 假设有延时函数

// 电机配置数组
static motor_config_t motor_configs[AXIS_MAX];

void motion_control_init() {
    // 初始化GPIO引脚为输出模式，初始电平为低
    for (int i = 0; i < AXIS_MAX; i++) {
        hal_gpio_init(motor_configs[i].step_port, motor_configs[i].step_pin, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_OUTPUT_TYPE_PP, GPIO_PULL_NONE);
        hal_gpio_init(motor_configs[i].dir_port, motor_configs[i].dir_pin, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_OUTPUT_TYPE_PP, GPIO_PULL_NONE);
        hal_gpio_write(motor_configs[i].step_port, motor_configs[i].step_pin, 0); // 初始低电平
        hal_gpio_write(motor_configs[i].dir_port, motor_configs[i].dir_pin, 0);  // 初始方向
    }
    // 初始化定时器 (如果使用定时器生成步进脉冲，这里进行定时器初始化)
}

void motion_control_config_motor(axis_t axis, motor_config_t *config) {
    if (axis < AXIS_MAX && config != NULL) {
        motor_configs[axis] = *config; // 复制配置参数
    }
}

void motion_control_set_direction(axis_t axis, direction_t direction) {
    if (axis < AXIS_MAX) {
        hal_gpio_write(motor_configs[axis].dir_port, motor_configs[axis].dir_pin, (uint8_t)direction); // 0: CW, 1: CCW
    }
}

void motion_control_step(axis_t axis) {
    if (axis < AXIS_MAX) {
        hal_gpio_write(motor_configs[axis].step_port, motor_configs[axis].step_pin, 1); // 拉高STEP引脚
        delay_us(1); // 短暂高电平脉冲 (脉冲宽度根据驱动器要求调整)
        hal_gpio_write(motor_configs[axis].step_port, motor_configs[axis].step_pin, 0); // 拉低STEP引脚
    }
}

void motion_control_homing(axis_t axis) {
    // 简单的归零示例：向负方向移动直到触发限位开关 (需要限位开关驱动支持)
    motion_control_set_direction(axis, DIRECTION_CCW); // 假设负方向为CCW
    while (1) {
        motion_control_step(axis);
        // 检查限位开关状态 (需要限位开关驱动接口)
        // if (hal_gpio_read(LIMIT_SWITCH_PORT, LIMIT_SWITCH_PIN) == 0) { // 假设限位开关低电平有效
        //     break; // 触发限位开关，停止运动
        // }
        delay_ms(1); // 适当延时
    }
    // 归零后，需要将当前位置设置为原点 (软件坐标系管理)
    // ...
}

void motion_control_move_to(float x, float y, float z, float e0, float e1, float aux, float speed) {
    // 简化示例：假设只控制X轴运动
    float target_x_steps = x * motor_configs[AXIS_X].steps_per_mm;
    float current_x_steps = 0; // 需要维护当前位置信息
    float steps_to_move = target_x_steps - current_x_steps;
    direction_t direction = (steps_to_move > 0) ? DIRECTION_CW : DIRECTION_CCW;
    steps_to_move = fabs(steps_to_move);

    motion_control_set_direction(AXIS_X, direction);
    for (int i = 0; i < (int)steps_to_move; i++) {
        motion_control_step(AXIS_X);
        delay_us(1000 / speed / motor_configs[AXIS_X].steps_per_mm); // 粗略计算延时，实际需要更精确的定时控制
    }
    // 更新当前位置信息
    // ...
}

代码解释:

  • motion_control.h: 定义了运动控制模块的接口，包括轴枚举、方向枚举、电机配置结构体、初始化、配置电机参数、设置方向、步进、归零、运动到指定位置等函数声明。
  • motion_control.c: 实现了motion_control.h中声明的函数。
    • motor_configs数组用于存储各个轴的电机配置参数。
    • motion_control_init()函数初始化GPIO引脚为输出模式，并设置初始电平。
    • motion_control_config_motor()函数用于配置指定轴的电机参数。
    • motion_control_set_direction()函数设置指定轴的运动方向。
    • motion_control_step()函数控制指定轴的步进电机走一步，通过拉高和拉低STEP引脚产生一个脉冲。
    • motion_control_homing()函数实现简单的归零功能，向负方向移动直到触发限位开关（代码中注释掉了限位开关检测部分，需要根据实际硬件和驱动实现）。
    • motion_control_move_to()函数实现简单的直线运动到指定位置的示例，只控制X轴运动，实际应用需要实现多轴联动和插补算法。

3. 系统服务层 - 温度控制模块 (temperature_control.h 和 temperature_control.c)

temperature_control.h:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
#ifndef TEMPERATURE_CONTROL_H
#define TEMPERATURE_CONTROL_H

#include "stdint.h"
#include "hal_adc.h" // 假设有ADC HAL驱动
#include "hal_timer.h" // 假设有定时器HAL驱动用于PWM

// 定义温度传感器类型
typedef enum {
    SENSOR_TYPE_THERMISTOR,
    SENSOR_TYPE_THERMOCOUPLE
    // ... 其他传感器类型
} sensor_type_t;

// 定义加热器类型
typedef enum {
    HEATER_TYPE_PWM,
    HEATER_TYPE_ON_OFF
    // ... 其他加热器类型
} heater_type_t;

// 温度控制通道枚举
typedef enum {
    TEMP_CHANNEL_BED,
    TEMP_CHANNEL_NOZZLE,
    TEMP_CHANNEL_MAX
} temp_channel_t;

// 温度传感器配置结构体
typedef struct {
    sensor_type_t sensor_type;
    hal_adc_channel_t adc_channel; // ADC通道
    // ... 传感器参数，如热敏电阻B值、R0值等
} sensor_config_t;

// 加热器配置结构体
typedef struct {
    heater_type_t heater_type;
    hal_timer_pwm_channel_t pwm_channel; // PWM通道
    gpio_port_t enable_port;          // 使能引脚 (如果需要)
    gpio_pin_t enable_pin;           // 使能引脚 (如果需要)
} heater_config_t;

// 温度PID参数结构体
typedef struct {
    float kp;
    float ki;
    float kd;
} pid_config_t;

// 初始化温度控制模块
void temperature_control_init();

// 配置温度传感器
void temperature_control_config_sensor(temp_channel_t channel, sensor_config_t *config);

// 配置加热器
void temperature_control_config_heater(temp_channel_t channel, heater_config_t *config);

// 配置PID参数
void temperature_control_config_pid(temp_channel_t channel, pid_config_t *pid_config);

// 读取温度
float temperature_control_read_temperature(temp_channel_t channel);

// 设置目标温度
void temperature_control_set_target_temperature(temp_channel_t channel, float target_temp);

// 获取当前温度
float temperature_control_get_current_temperature(temp_channel_t channel);

#endif // TEMPERATURE_CONTROL_H

temperature_control.c:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
#include "temperature_control.h"
#include "delay.h" // 假设有延时函数

// 温度传感器配置数组
static sensor_config_t sensor_configs[TEMP_CHANNEL_MAX];
// 加热器配置数组
static heater_config_t heater_configs[TEMP_CHANNEL_MAX];
// PID参数数组
static pid_config_t pid_configs[TEMP_CHANNEL_MAX] = {
    {10.0f, 0.1f, 1.0f}, // Bed PID默认参数
    {10.0f, 0.1f, 1.0f}  // Nozzle PID默认参数
};
// 目标温度数组
static float target_temperatures[TEMP_CHANNEL_MAX] = {0.0f, 0.0f};
// 当前温度数组
static float current_temperatures[TEMP_CHANNEL_MAX] = {0.0f, 0.0f};
// PID积分项
static float pid_integral[TEMP_CHANNEL_MAX] = {0.0f, 0.0f};
// 上次误差
static float last_error[TEMP_CHANNEL_MAX] = {0.0f, 0.0f};

void temperature_control_init() {
    // 初始化ADC模块 (hal_adc_init)
    // 初始化PWM模块 (hal_timer_pwm_init)
}

void temperature_control_config_sensor(temp_channel_t channel, sensor_config_t *config) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX && config != NULL) {
        sensor_configs[channel] = *config;
    }
}

void temperature_control_config_heater(temp_channel_t channel, heater_config_t *config) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX && config != NULL) {
        heater_configs[channel] = *config;
        if (config->heater_type == HEATER_TYPE_PWM) {
            // 初始化PWM通道 (hal_timer_pwm_start)
        } else if (config->heater_type == HEATER_TYPE_ON_OFF) {
            hal_gpio_init(config->enable_port, config->enable_pin, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_OUTPUT_TYPE_PP, GPIO_PULL_NONE);
            hal_gpio_write(config->enable_port, config->enable_pin, 0); // 初始关闭加热器
        }
    }
}

void temperature_control_config_pid(temp_channel_t channel, pid_config_t *pid_config) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX && pid_config != NULL) {
        pid_configs[channel] = *pid_config;
    }
}

float temperature_control_read_temperature(temp_channel_t channel) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX) {
        // 读取ADC值 (hal_adc_read)
        uint16_t adc_value = 0; // 假设读取到ADC值
        // 根据传感器类型和参数，将ADC值转换为温度值
        float temperature = 25.0f; // 示例温度值，需要根据实际传感器特性计算
        current_temperatures[channel] = temperature;
        return temperature;
    }
    return 0.0f;
}

void temperature_control_set_target_temperature(temp_channel_t channel, float target_temp) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX) {
        target_temperatures[channel] = target_temp;
    }
}

float temperature_control_get_current_temperature(temp_channel_t channel) {
    if (channel < TEMP_CHANNEL_MAX) {
        return current_temperatures[channel];
    }
    return 0.0f;
}

// 定期执行的温度控制任务 (例如每100ms执行一次)
void temperature_control_task() {
    for (int channel = 0; channel < TEMP_CHANNEL_MAX; channel++) {
        float current_temp = temperature_control_read_temperature(channel);
        float error = target_temperatures[channel] - current_temp;

        // PID控制计算
        pid_integral[channel] += error; // 积分项累加
        float derivative = error - last_error[channel]; // 微分项
        float output = pid_configs[channel].kp * error + pid_configs[channel].ki * pid_integral[channel] + pid_configs[channel].kd * derivative;

        // 限制输出范围 (例如PWM占空比0-100%)
        if (output < 0) output = 0;
        if (output > 100) output = 100;

        // 控制加热器
        if (heater_configs[channel].heater_type == HEATER_TYPE_PWM) {
            // 设置PWM占空比 (hal_timer_pwm_set_duty)
            // 例如：hal_timer_pwm_set_duty(heater_configs[channel].pwm_channel, (uint32_t)output);
        } else if (heater_configs[channel].heater_type == HEATER_TYPE_ON_OFF) {
            if (output > 50) { // 阈值控制，大于50%就开启加热器
                hal_gpio_write(heater_configs[channel].enable_port, heater_configs[channel].enable_pin, 1); // 开启加热器
            } else {
                hal_gpio_write(heater_configs[channel].enable_port, heater_configs[channel].enable_pin, 0); // 关闭加热器
            }
        }

        last_error[channel] = error; // 更新上次误差
    }
}

代码解释:

  • temperature_control.h: 定义了温度控制模块的接口，包括传感器类型、加热器类型、温度控制通道枚举、传感器配置、加热器配置、PID参数结构体、初始化、配置传感器、配置加热器、配置PID参数、读取温度、设置目标温度、获取当前温度等函数声明。
  • temperature_control.c: 实现了temperature_control.h中声明的函数。
    • sensor_configs、heater_configs、pid_configs、target_temperatures、current_temperatures、pid_integral、last_error等数组用于存储温度控制相关的配置参数和状态信息。
    • temperature_control_init()函数初始化ADC和PWM模块。
    • temperature_control_config_sensor()、temperature_control_config_heater()、temperature_control_config_pid()函数用于配置温度传感器、加热器和PID参数。
    • temperature_control_read_temperature()函数读取ADC值，并将其转换为温度值（转换公式需要根据实际传感器特性实现）。
    • temperature_control_set_target_temperature()和temperature_control_get_current_temperature()函数用于设置和获取目标温度和当前温度。
    • temperature_control_task()函数是温度控制任务，定期执行PID控制算法，计算加热器输出，并控制加热器。示例代码中实现了简单的PID算法和PWM/ON-OFF加热器控制。

4. 系统服务层 - 通信管理模块 (communication_manager.h 和 communication_manager.c)

communication_manager.h:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#ifndef COMMUNICATION_MANAGER_H
#define COMMUNICATION_MANAGER_H

#include "stdint.h"
#include "hal_uart.h" // 假设有UART HAL驱动

// 定义Klipper命令处理函数指针类型
typedef void (*klipper_command_handler_t)(char *command);

// 初始化通信管理模块
void communication_manager_init();

// 注册Klipper命令处理函数
void communication_manager_register_command_handler(const char *command_name, klipper_command_handler_t handler);

// 处理接收到的数据
void communication_manager_process_data(uint8_t *data, uint32_t len);

// 发送数据
void communication_manager_send_data(uint8_t *data, uint32_t len);

// 发送字符串
void communication_manager_send_string(const char *str);

#endif // COMMUNICATION_MANAGER_H

communication_manager.c:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
#include "communication_manager.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#define MAX_COMMAND_LENGTH 256
#define MAX_COMMAND_HANDLERS 20

// 命令处理函数表
typedef struct {
    const char *command_name;
    klipper_command_handler_t handler;
} command_handler_entry_t;

static command_handler_entry_t command_handlers[MAX_COMMAND_HANDLERS];
static uint8_t command_handler_count = 0;

void communication_manager_init() {
    // 初始化UART模块 (hal_uart_init)
    // 设置UART接收回调函数 (hal_uart_set_receive_callback)
}

void communication_manager_register_command_handler(const char *command_name, klipper_command_handler_t handler) {
    if (command_handler_count < MAX_COMMAND_HANDLERS) {
        command_handlers[command_handler_count].command_name = command_name;
        command_handlers[command_handler_count].handler = handler;
        command_handler_count++;
    }
}

void communication_manager_process_data(uint8_t *data, uint32_t len) {
    static char command_buffer[MAX_COMMAND_LENGTH];
    static uint32_t buffer_index = 0;

    for (uint32_t i = 0; i < len; i++) {
        if (data[i] == '\n' || data[i] == '\r') { // 遇到换行符或回车符，表示命令结束
            if (buffer_index > 0) {
                command_buffer[buffer_index] = '\0'; // 字符串结尾
                // 解析命令并执行
                communication_manager_parse_and_execute_command(command_buffer);
                buffer_index = 0; // 清空缓冲区
            }
        } else {
            if (buffer_index < MAX_COMMAND_LENGTH - 1) {
                command_buffer[buffer_index++] = data[i];
            }
        }
    }
}

void communication_manager_parse_and_execute_command(char *command) {
    // 简单的命令解析示例，实际应用需要更完善的协议解析
    char *command_name = strtok(command, " "); // 以空格分隔命令名和参数

    if (command_name != NULL) {
        for (int i = 0; i < command_handler_count; i++) {
            if (strcmp(command_name, command_handlers[i].command_name) == 0) {
                command_handlers[i].handler(command); // 调用注册的命令处理函数
                return; // 找到处理函数，返回
            }
        }
        // 未找到命令处理函数，发送错误信息
        communication_manager_send_string("Error: Unknown command\n");
    }
}

void communication_manager_send_data(uint8_t *data, uint32_t len) {
    // 调用UART发送函数 (hal_uart_send)
    // hal_uart_send(data, len);
    for (uint32_t i = 0; i < len; i++) {
        hal_uart_send_byte(data[i]); // 假设有发送字节函数
    }
}

void communication_manager_send_string(const char *str) {
    communication_manager_send_data((uint8_t *)str, strlen(str));
}

// UART接收回调函数示例 (需要在UART HAL驱动中设置)
void uart_receive_callback(uint8_t data) {
    communication_manager_process_data(&data, 1);
}

代码解释:

  • communication_manager.h: 定义了通信管理模块的接口，包括Klipper命令处理函数指针类型、初始化、注册命令处理函数、处理接收数据、发送数据、发送字符串等函数声明.
  • communication_manager.c: 实现了communication_manager.h中声明的函数。
    • command_handlers数组用于存储注册的Klipper命令处理函数。
    • communication_manager_init()函数初始化UART模块，并设置UART接收回调函数。
    • communication_manager_register_command_handler()函数用于注册Klipper命令处理函数，将命令名和处理函数添加到command_handlers数组中。
    • communication_manager_process_data()函数处理接收到的数据，将数据缓存到命令缓冲区，遇到换行符或回车符时，解析命令并执行。
    • communication_manager_parse_and_execute_command()函数解析命令，查找对应的命令处理函数，并调用执行。示例代码使用了简单的strtok()函数进行命令解析，实际应用需要更完善的协议解析逻辑。
    • communication_manager_send_data()和communication_manager_send_string()函数用于发送数据和字符串，调用UART HAL驱动的发送函数。
    • uart_receive_callback()函数是UART接收回调函数示例，当UART接收到数据时，会调用该函数，并将接收到的数据传递给communication_manager_process_data()函数进行处理。

5. 应用层 - Klipper命令处理示例 (application.c)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
#include "communication_manager.h"
#include "motion_control.h"
#include "temperature_control.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // atof, atoi

// 定义Klipper命令处理函数

// 处理 "M114" 命令 (获取当前位置)
void handle_m114_command(char *command) {
    float x = 0, y = 0, z = 0, e0 = 0, e1 = 0, aux = 0; // 实际需要获取当前位置信息
    char response[100];
    sprintf(response, "X:%.2f Y:%.2f Z:%.2f E0:%.2f E1:%.2f AUX:%.2f\n", x, y, z, e0, e1, aux);
    communication_manager_send_string(response);
}

// 处理 "M105" 命令 (获取温度)
void handle_m105_command(char *command) {
    float bed_temp = temperature_control_get_current_temperature(TEMP_CHANNEL_BED);
    float nozzle_temp = temperature_control_get_current_temperature(TEMP_CHANNEL_NOZZLE);
    char response[100];
    sprintf(response, "B:%.2f N:%.2f\n", bed_temp, nozzle_temp);
    communication_manager_send_string(response);
}

// 处理 "M104" 命令 (设置喷头温度)
void handle_m104_command(char *command) {
    char *token = strtok(command, " "); // 分割命令
    token = strtok(NULL, " "); // 获取第一个参数 (S参数)
    if (token != NULL && strncmp(token, "S", 1) == 0) {
        float target_temp = atof(token + 1); // 提取温度值
        temperature_control_set_target_temperature(TEMP_CHANNEL_NOZZLE, target_temp);
        communication_manager_send_string("OK\n");
    } else {
        communication_manager_send_string("Error: Invalid M104 command\n");
    }
}

// 处理 "G1" 命令 (运动控制) - 简化示例
void handle_g1_command(char *command) {
    float x = NAN, y = NAN, z = NAN, e0 = NAN, e1 = NAN, aux = NAN, speed = NAN;
    char *token = strtok(command, " "); // 分割命令
    while ((token = strtok(NULL, " ")) != NULL) {
        if (strncmp(token, "X", 1) == 0) {
            x = atof(token + 1);
        } else if (strncmp(token, "Y", 1) == 0) {
            y = atof(token + 1);
        } else if (strncmp(token, "Z", 1) == 0) {
            z = atof(token + 1);
        } else if (strncmp(token, "E", 1) == 0) {
            e0 = atof(token + 1); // 假设E参数对应E0轴
        } else if (strncmp(token, "F", 1) == 0) {
            speed = atof(token + 1);
        } // ... 其他轴和参数
    }

    // 调用运动控制模块函数进行运动
    motion_control_move_to(x, y, z, e0, e1, aux, speed);
    communication_manager_send_string("OK\n");
}

void application_init() {
    // 初始化各个模块
    communication_manager_init();
    motion_control_init();
    temperature_control_init();

    // 注册Klipper命令处理函数
    communication_manager_register_command_handler("M114", handle_m114_command);
    communication_manager_register_command_handler("M105", handle_m105_command);
    communication_manager_register_command_handler("M104", handle_m104_command);
    communication_manager_register_command_handler("G1", handle_g1_command);

    communication_manager_send_string("System Initialized\n");
}

代码解释:

  • application.c: 实现了应用层的功能，包括Klipper命令处理和系统初始化。
    • 定义了多个Klipper命令处理函数，例如handle_m114_command()、handle_m105_command()、handle_m104_command()、handle_g1_command()，分别处理 “M114”、”M105”、”M104”、”G1” 等G代码命令。这些函数解析命令参数，并调用系统服务层提供的接口，例如运动控制模块和温度控制模块的函数。
    • application_init()函数初始化各个模块，并使用communication_manager_register_command_handler()函数注册Klipper命令处理函数，将命令名和对应的处理函数关联起来。

开发流程与实践验证

  1. 需求分析与设计： 详细分析项目需求，确定硬件平台和软件功能，设计系统架构和模块接口。
  2. 硬件选型与原理图设计： 根据需求选择合适的MCU和外围器件，设计硬件原理图和PCB。
  3. HAL层开发： 根据选定的硬件平台，编写HAL层驱动代码，实现GPIO、定时器、ADC、UART等硬件接口的抽象。
  4. 系统服务层开发： 基于HAL层接口，开发系统服务层模块，包括运动控制、温度控制、通信管理、配置管理等模块。
  5. 应用层开发： 基于系统服务层接口，开发应用层代码，实现Klipper协议处理、G代码解析、运动规划等功能。
  6. 单元测试： 对每个模块进行单元测试，验证模块功能的正确性。
  7. 集成测试： 将各个模块集成起来进行集成测试，验证模块之间的协同工作是否正常。
  8. 系统测试： 在实际的3D打印机硬件平台上进行系统测试，验证整个系统的功能和性能是否满足需求。
  9. 固件烧录与调试： 将编译好的固件烧录到MCU中，通过调试工具（如J-Link、ST-Link）进行在线调试，解决bug。
  10. 性能优化与稳定性测试： 对系统进行性能优化，提高运行效率和实时性，进行长时间的稳定性测试，确保系统可靠运行。
  11. 维护与升级： 提供固件升级机制，方便用户升级固件，修复bug或添加新功能。

技术和方法实践验证：

  • 分层架构： 分层架构在嵌入式系统开发中被广泛应用，实践证明它可以提高代码的模块化程度、可移植性和可维护性。
  • HAL层： HAL层是提高代码可移植性的关键，通过HAL层，上层代码可以独立于具体的硬件平台，方便系统移植到不同的MCU。
  • 模块化设计： 将系统划分为独立的模块，每个模块负责特定的功能，可以降低系统的复杂度，提高开发效率和代码可维护性。
  • C语言编程： C语言是嵌入式系统开发中最常用的编程语言，具有高效、灵活、可移植等优点，非常适合开发资源受限的嵌入式系统。
  • PID控制算法： PID控制算法是温度控制和运动控制中常用的经典算法，实践证明它可以有效地实现精确的控制。
  • Klipper固件兼容： Klipper固件是一种流行的3D打印机固件，具有高性能、高精度、易配置等优点，兼容Klipper固件可以提高这款控制板的竞争力。
  • 实时性设计： 在运动控制和温度控制等关键模块中，需要考虑实时性要求，采用中断、定时器等机制，确保系统能够及时响应外部事件和控制指令。
  • 错误处理和容错机制： 嵌入式系统需要具备良好的错误处理和容错能力，通过看门狗、错误检测、异常处理等机制，提高系统的稳定性和可靠性。
  • 代码版本管理： 使用Git等版本管理工具进行代码版本管理，方便团队协作和代码维护。
  • 代码审查： 进行代码审查，可以发现潜在的bug和代码风格问题，提高代码质量。
  • 持续集成和自动化测试： 建立持续集成和自动化测试流程，可以提高开发效率和代码质量。

总结

这款6轴3D打印机控制板的嵌入式软件系统设计，采用了分层架构、模块化设计思想，并结合了HAL层、系统服务层、应用层等关键层次，实现了运动控制、温度控制、通信管理等核心功能。代码示例展示了GPIO驱动、运动控制、温度控制、通信管理等关键模块的C代码实现，并解释了代码逻辑和设计思路。通过实践验证的技术和方法，可以构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台，满足3D打印机控制的需求，并兼容Klipper固件。

希望以上详细的解答和代码示例能够帮助你理解这款嵌入式产品的软件开发过程。如果还有其他问题，欢迎继续提问！

欢迎关注我的其它发布渠道