靳 濤, 馬 杰, 楊立闖

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

3D打印的3.0時(shí)代的到來，提供了3D打印技術(shù)[1,2]與WiFi技術(shù)相結(jié)合的方案[3]，基于移動(dòng)終端無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，3D打印由傳統(tǒng)單一設(shè)備的“制造”向網(wǎng)絡(luò)信息化的“智造”轉(zhuǎn)型。改善傳統(tǒng)打印機(jī)電纜連接通信的弊端[4]，利用移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互。

本文基于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用WiFi模塊將下位機(jī)STM32主控芯片與用戶Android移動(dòng)控制端連接，建立用戶與3D打印機(jī)之間的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，用戶通過Android移動(dòng)終端可以對(duì)3D打印機(jī)的實(shí)時(shí)控制，節(jié)省了用戶現(xiàn)場觀察的不必要時(shí)間。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)為3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)與Android移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

1.1 3D打印機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由WiFi模塊建立一個(gè)核心網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)上層應(yīng)用層與底層無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互。3D打印機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳至用戶移動(dòng)終端。本文采用WiFi模塊的接入點(diǎn)(access point,AP)模式和STA(station)模式[5]。AP模式下，WiFi模塊是無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，Android移動(dòng)終端連接打印機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，在不需要基礎(chǔ)設(shè)施的情況下快速組建局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STA模式下，WiFi模塊是無線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet網(wǎng)，與遠(yuǎn)端TCP 客戶端相連。這種組網(wǎng)方式可將3D打印機(jī)的數(shù)據(jù)通過無線路由器的橋接功能轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，Android移動(dòng)終端則通過外網(wǎng)直接訪問服務(wù)器的IP地址，進(jìn)而得到打印機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的遠(yuǎn)程控制。3D打印機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體框架

1.2 3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)控制系統(tǒng)整體框架如圖2所示，主控制器為STM32F405，通過USB OTG電路讀取U盤里的Gcode模型文件，主控芯片逐行解析文件中的G指令，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向、位置偏移量和速度精確控制，其中4路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別控制X,Y,Z和擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖。3路限位開關(guān)用于反饋步進(jìn)電機(jī)的位置信息，定位打印的初始和結(jié)束位置。主控制器分別通過三極管開關(guān)電路及比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)算法控制噴頭加熱棒和熱床溫度，噴頭采用K型熱電偶經(jīng)SPI接口反饋主控制器，熱床采用DS18B20單總線溫度傳感器采溫反饋到主控制器，對(duì)3D打印機(jī)的溫度系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。Android移動(dòng)終端的APP通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸打印數(shù)據(jù)。

圖2 3D打印機(jī)控制系統(tǒng)整體框架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

系統(tǒng)控制電路的主控芯片為ARM內(nèi)核的STM32F405微控制器，內(nèi)部含有1MB Flash，256 kB RAM，168 MHz工作頻率，完全可以運(yùn)行RT—Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

2.2 WiFi無線通信電路設(shè)計(jì)

采用USR—C215芯片，該無線模塊設(shè)有3種WiFi工作模式：STA，AP，AP+STA，可以提供十分靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒āＶ骺刂破髋c該模塊實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的透傳，包括Socket透傳和Http Client透傳，可實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)快速組網(wǎng)。USR-C215電路原理如圖3所示。

圖3 USR—C215電路原理

2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用Allergro公司的A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可在全、半、1/4,1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作步進(jìn)電機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)到35V及±2A。

本文采用1/16細(xì)分，即將MS1，MS2，MS3引腳置高，主控制器只需控制驅(qū)動(dòng)模塊的EN，DIR，STEP 3個(gè)引腳即可完全控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中，EN為步進(jìn)電機(jī)的使能端，DIR為步進(jìn)電機(jī)的方向控制端，STEP為步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入端[6]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理

2.4 USB OTG電路設(shè)計(jì)

USB OTG電路是3D打印機(jī)中用于接插U盤的接口電路，為保證信號(hào)傳輸正常，抑制干擾，USB的D+和D-兩根線要差分處理，同時(shí)串聯(lián)差分阻抗，以防止信號(hào)反射。本設(shè)計(jì)為防止熱插拔中靜電的干擾，采用PRTR5V0U4D靜電保護(hù)芯片來保護(hù)D+，D-，VBUS引腳的功能。USB OTG電路原理如圖5所示。

圖5 USB OTG電路原理

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式系統(tǒng)的選擇

本文選用了RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7]，具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可裁剪性的特點(diǎn)。系統(tǒng)中的任務(wù)采用線程來實(shí)現(xiàn)，通過線程來描述任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和上下文關(guān)系，并通過系統(tǒng)提供的調(diào)度器將最高的就緒線程運(yùn)行。

本文的3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，需要將各自功能設(shè)計(jì)成各自可調(diào)度的，序列化的并行執(zhí)行程序線程，將3D打印機(jī)的功能：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、WiFi傳輸、U盤G命令解析、加熱控制、液晶顯示劃分為執(zhí)行任務(wù)，RT—Thread操作系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)操作。各應(yīng)用線程創(chuàng)建完后，由調(diào)度器根據(jù)各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)先后進(jìn)行調(diào)度。每個(gè)線程將在就緒、運(yùn)行、掛起3個(gè)狀態(tài)不停切換，從而3D打印機(jī)的各個(gè)線程得以實(shí)時(shí)運(yùn)行。3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)流程

3.2 WiFi模塊底層通信

WiFi模塊的底層配置主要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)與報(bào)文的廣播。本文采用緩沖機(jī)制和信號(hào)量來收發(fā)串口數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到串口寄存器，并保存到環(huán)形緩沖區(qū)buffer中，定義head變量標(biāo)記當(dāng)前寫入的位置，tail變量表示發(fā)送數(shù)據(jù)的位置，同時(shí)標(biāo)記當(dāng)前數(shù)據(jù)處理長度len。當(dāng)接收指針指向緩沖區(qū)末尾時(shí)，只要緩沖區(qū)頭的數(shù)據(jù)被處理，緩沖區(qū)指針會(huì)重新指向頭位置，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)處理線程阻塞時(shí)，連續(xù)收到的數(shù)據(jù)會(huì)保存到緩沖區(qū)中而避免了丟失。當(dāng)數(shù)據(jù)處理的線程處于就緒狀態(tài)，則開始數(shù)據(jù)處理，要求處理數(shù)據(jù)的速度高于接收到的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)部分設(shè)計(jì)為一個(gè)結(jié)構(gòu)體。

本文為WiFi模塊設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的線程用于WiFi數(shù)據(jù)處理，其優(yōu)先級(jí)為23，系統(tǒng)上電后會(huì)輪詢WiFi模塊的NREADY與NLINK引腳狀態(tài)，判斷WiFi模塊是否啟動(dòng)完畢,是否有WiFi節(jié)點(diǎn)接入，紅綠發(fā)光二極管指示當(dāng)前連接狀態(tài)。主控制器將接收WiFi數(shù)據(jù)按特定協(xié)議解析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制3D打印機(jī)的操作；反之，3D打印數(shù)據(jù)通過串口發(fā)到WiFi模塊，并廣播到AP節(jié)點(diǎn)。WiFi底層流程如圖7。

圖7 WiFi底層流程

3.3 電機(jī)行程規(guī)劃

本系統(tǒng)采用開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)命令，然后對(duì)命令的參數(shù)進(jìn)行解析，從而驅(qū)動(dòng)4路步進(jìn)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其中U盤里的運(yùn)動(dòng)指令包括電機(jī)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)位置，速度大小，每層的高度等參數(shù)。在解析命令過程中，需要加入一個(gè)緩沖區(qū)協(xié)調(diào)讀取與解析命令的時(shí)間差。為防止電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)發(fā)生失步和過沖，需以電機(jī)的啟動(dòng)頻率啟動(dòng)然后增加到工作頻率，在停止時(shí)電機(jī)先降低到脈沖頻率最后降低到截止頻率，因此電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用S型曲線算法。流程如圖8所示。

圖8 電機(jī)行程管理

3.4 Android移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

本文Android移動(dòng)終端基于adt-bundle-eclipse開發(fā)平臺(tái)，采用Java語言開發(fā)。

設(shè)計(jì)將USR—C215的WiFi模塊設(shè)計(jì)成服務(wù)器，將Android移動(dòng)終端設(shè)計(jì)成客戶端，二者之間的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP協(xié)議，通過Socket通信[8～10]。

USR—C215 WiFi模塊作為無線網(wǎng)卡，將IP地址映射到無線路由器中，這里使用動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)關(guān)。本文通過開啟后臺(tái)的IP地址連接服務(wù)，采用key—value鍵值對(duì)來存儲(chǔ)變化的IP與端口號(hào)。客戶端連接服務(wù)器Socket的IP與端口號(hào)后，建立Socket實(shí)例對(duì)象，通過InputStream讀取數(shù)據(jù)，通過OutputStream將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送，完成服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)對(duì)話。

為實(shí)時(shí)查看打印機(jī)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，需開啟U盤文件監(jiān)聽，打印狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)聽以及打印控制命令監(jiān)聽，每隔100 ms會(huì)更新1次監(jiān)聽數(shù)據(jù)?？蛻舳私邮誛iFi模塊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過Broadcast同步廣播機(jī)制，將數(shù)據(jù)發(fā)送到不同的廣播接收進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Android 移動(dòng)終端流程如圖9。

圖9 Android移動(dòng)終端流程

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計(jì)采用WiFi的STA模式測試，WiFi模塊的IP映射到本地的無線路由器，Android移動(dòng)終端則通過外網(wǎng)連接無線路由器的靜態(tài)IP與端口，實(shí)現(xiàn)WiFi模塊—無線路由器—Internet—Android移動(dòng)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通路。

4.1 測試流程

1)登錄:打開軟件進(jìn)入登錄界面，輸入正確的用戶名和密碼，跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的主界面,如圖10(a)所示。

2)設(shè)置服務(wù)器的IP與端口號(hào):設(shè)置遠(yuǎn)程路由器的靜態(tài)IP和端口號(hào),如圖10(b)所示。

3)數(shù)據(jù)傳輸:選中U盤按鍵，即可讀取U盤文件列表，選擇打印文件模型，如圖10(c)所示，轉(zhuǎn)至“打印狀態(tài)”界面，如圖10(d)所示，即可開始模型打印。3D打印機(jī)的電機(jī)歸位原點(diǎn)，等待噴頭、熱床溫度升至打印溫度，即可開始讀取U盤G指令，并打印模型。在打印過程中，可遠(yuǎn)程查看打印機(jī)的打印數(shù)據(jù)、控制打印機(jī)的停止、熱床溫度、自動(dòng)斷電等操作。當(dāng)打印出現(xiàn)異常，如在打印過程中噴頭降低到目的溫度以下，手機(jī)會(huì)啟動(dòng)聲音報(bào)警，及時(shí)提醒用戶，并采取相應(yīng)措施。提高打印的成功率。

圖10 Android智能手機(jī)移動(dòng)界面

4.2 數(shù)據(jù)傳輸測試

3D打印機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸測試如表1。通過對(duì)3D打印機(jī)不同距離的多次模型打印測試，得出結(jié)論：手機(jī)端登錄路由器公網(wǎng)IP的WiFi網(wǎng)絡(luò)，即可異地遠(yuǎn)程控制打印機(jī)。在毫秒(ms)級(jí)上可以達(dá)到手機(jī)端與3D打印機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，且信號(hào)強(qiáng)度在-75～-60 dBm以內(nèi)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸丟包率均小于2 %，滿足無線遠(yuǎn)程傳輸要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié) 論

實(shí)際測試證明，用戶通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制3D打印機(jī)的功能。移動(dòng)終端通過對(duì)U盤、電機(jī)、溫度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)聽，保證了移動(dòng)終端與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，為用戶查看打印狀態(tài)帶來了很大的便利，提高了打印的成功率。