基于ARM的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚秀騰，郭小定，李小龍，余亮

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭 411201

基于ARM的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚秀騰，郭小定，李小龍，余亮

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭 411201

針對(duì)基于單片機(jī)為控制器的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)中存在的處理速度慢、片外芯片多、電路復(fù)雜、打印質(zhì)量不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ARM為控制器的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768微控制器，用它進(jìn)行與上位機(jī)通信、數(shù)據(jù)處理、模擬量采集與處理、信號(hào)控制，選用A4988專用兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，行程開關(guān)電路采用GK152紅外光電傳感器.軟件采用了PID方式調(diào)節(jié)加熱床、擠出機(jī)加熱溫度。文中論述了控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)和軟件的實(shí)現(xiàn)流程，系統(tǒng)測(cè)試表明性能良好.

Cortex-M3；LPC1768；桌面型3D打印機(jī)；PID調(diào)節(jié)；步進(jìn)電機(jī)／A4988

3D打?。慈S打印、增材制造），也稱作快速成型技術(shù)，具有不受零件復(fù)雜程度限制，完全數(shù)字化控制，無(wú)需開磨具等特點(diǎn)［1］，因此3D打印機(jī)在生產(chǎn)應(yīng)用方面有著巨大的潛力。3D打印機(jī)主要分為入門級(jí)和工業(yè)級(jí)2種［2］。文中介紹的桌面型3D打印機(jī)為入門級(jí)，系統(tǒng)采用的工藝類型為熔融擠出成型。目前桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)主要采用AVR系列單片機(jī)作為核心控制器，該系列單片機(jī)工作頻率較低、內(nèi)部外設(shè)少，致使該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度慢、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、抗干擾能力差。因此文中設(shè)計(jì)了基于ARM的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)的核心CPU選用基于ARM Corxtex-M3內(nèi)核的LPC1768微控制器，控制系統(tǒng)主要完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制、擠出機(jī)加熱電阻和加熱床的溫度控制、擠出機(jī)工作零點(diǎn)與行程的控制；讀取SD卡存放的配置文件、打印數(shù)據(jù)文件；通過(guò)USB與上位機(jī)通信。

控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)的供電通過(guò)電源電路提供。系統(tǒng)通過(guò)LPC1768微控制器的片內(nèi)SPI接口讀取SD卡里的配置文件、打印數(shù)據(jù)文件，通過(guò)片內(nèi)USB接口實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)進(jìn)行可靠快速通信，保證打印數(shù)據(jù)文件及時(shí)正確傳輸，同時(shí)上位機(jī)可通過(guò)USB接口給系統(tǒng)發(fā)送控制命令。兩路輸出數(shù)字信號(hào)分別控制加熱床加熱電路和擠出機(jī)加熱電路中的低通電阻NMOS功率開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)加熱床及擠出機(jī)中加熱電阻的加熱。溫度傳感器電路的兩路模擬量經(jīng)片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換通道輸入，實(shí)現(xiàn)加熱床、擠出機(jī)溫度的檢測(cè)和控制。四路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路分別控制X、Y、Z這3個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)及擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)打印件的打印。三路行程開關(guān)電路定位X、Y、Z軸的原點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)相對(duì)位移量。ISP／JTAG接口用于測(cè)試程序的燒寫與調(diào)試。

圖1 基于ARM的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LPC1768微控制器電路

LPC1768微控制器含有豐富的內(nèi)部外設(shè)使得該處理器特別適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)單片控制。LPC1768芯片采用32位操作，工作頻率可達(dá)100 MHz，采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線［3-4］，因此具有數(shù)據(jù)處理速度快的特點(diǎn)。外設(shè)組件包括高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器，64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，保證了程序及數(shù)據(jù)處理的空間；USB主機(jī)／從機(jī)／OTG接口；SPI接口；8通道的12位ADC、10位DAC；4個(gè)通用定時(shí)器；多達(dá)70個(gè)通用I／O引腳、標(biāo)準(zhǔn)JTAG測(cè)試／調(diào)試接口，便于程序調(diào)試與程序燒寫。因此采用LPC1768無(wú)需外部擴(kuò)展就能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的所有功能。LPC1768微控制器電路如圖2所示。LPC1768微控制器電源電壓為3.3 V；磁珠L(zhǎng)7把數(shù)字電源和模擬電源分開，磁珠L(zhǎng)8把數(shù)字地和模擬地分開，電路減少了數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互干擾；主振蕩器接12 MHz晶振作為CPU的時(shí)鐘源，RTC振蕩器接32 kHz提供RTC時(shí)鐘輸出，作為PLL0、CPU和看門狗定時(shí)器的時(shí)鐘源；S2為微控制器復(fù)位按鍵；TDO、TDI、TMS、TRST、TCK、RST為JTAG接線端口；EXTRUDER_Heat、BED_Heat端口分別連接擠出機(jī)、加熱床電路，EXTRUDER_Temp、BED_Temp端口分別連接兩路溫度傳感器電路；SD_ SSEL、SD_SCK、SD_MOSI、SD_MISO端口連接SD卡電路；由于行程開關(guān)電路電源為＋5 V，微控制器電源為＋3.3 V，Opto_X_IN、Opto_Y_IN、Opto_Z_IN端口需要接上拉電阻進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，然后分別接三路行程開關(guān)電路；USB_D_P、USB_D_N、USB_Connect、USB_VCC、USB_UP_Led端口接USB通信接口電路。MZ_DIR、MZ_EN、MZ_STEP等端口分別接四路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 LPC1768微控制器電路

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)采用兩相四線混合式42系列步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為24 V，額定相電流為1.7 A，步進(jìn)精度為5%。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用Allegro帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動(dòng)器A4988。A4988是一款完全的微步電動(dòng)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)操作兩相步進(jìn)電機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V及±2 A。能夠?yàn)橄到y(tǒng)所選步進(jìn)電機(jī)提供足夠的輸出功率。帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作，無(wú)須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程［5］。A4988包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。在微步運(yùn)行時(shí)，A4988內(nèi)的斬波控制可自動(dòng)選擇電流衰減模式（慢或混合）?；旌纤p電流控制方案能減少可聽到的電動(dòng)機(jī)噪音、增加步進(jìn)精確度并減少功耗，降低驅(qū)動(dòng)芯片的溫度，提供內(nèi)部同步整流控制電路，以改善脈寬調(diào)制（PWM）操作時(shí)的功率消耗。內(nèi)部電路保護(hù)包括帶滯后的過(guò)熱關(guān)機(jī)、欠壓鎖定及交叉電流保護(hù)，不需要特別的通電排序。

A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及外圍電路如圖3所示。LPC1768微控制器只要控制ENABLE、DIR、STEP這3路端口就能完全實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。ENABLE端口使能A4988內(nèi)部的FET輸出，ENA-BLE端口輸入為高電平時(shí)不使能輸出，電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，處于鎖緊狀態(tài)；只有ENABLE端口為低電平時(shí)使能輸出，電機(jī)才可以運(yùn)動(dòng)。DIR端口輸入信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。STEP端口輸入微步信號(hào)，如果LPC1768微控制器按工作頻率給STEP端口輸入上升沿微步信號(hào)，就能夠控制步進(jìn)電機(jī)工作。通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)S10、S11、S12控制細(xì)分步進(jìn)量，細(xì)分方法如表1所示。

表1 步進(jìn)控制邏輯表

為了克服步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在的低頻振蕩、高頻出力不足容易失步以及定位精度不高等缺點(diǎn)［6］，文中系統(tǒng)采用1／16步進(jìn)量細(xì)分法，同時(shí)能夠使步進(jìn)電機(jī)具有良好平滑運(yùn)行性能。StepMotor_1B和StepMotor_1A引腳分別連接到2相步進(jìn)電機(jī)其中一相線圈的兩端，StepMotor_2B和StepMotor_2A引腳分別連接到2相步進(jìn)電機(jī)其中另一相線圈的兩端。電容C29是電荷泵電容產(chǎn)生一個(gè)高于VIN1的門電平，另外VIN1與VCP端口之間加一個(gè)100 nF的電容C40，同時(shí)用來(lái)驅(qū)動(dòng)A4988中DMOS源端門?；瑒?dòng)變阻器P5提供REF端口電壓經(jīng)內(nèi)部DAC給電壓比較器同相輸入端，SENSE1、SENSE2端口的R74、R75電阻取樣輸出電流給電壓比較器反相輸入端，當(dāng)R74、R75兩端電壓等于內(nèi)部DAC輸出時(shí)，A4988輸出關(guān)閉。本電路的最大輸出電流為ITrip-MAX＝VREF／（8×RS）＝（3.3×10）／（39＋10）／8× 0.047＝1.79 A。調(diào)節(jié)P5，可使步進(jìn)電機(jī)工作在1.7 A的額定相電流。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 行程開關(guān)電路

系統(tǒng)中行程開關(guān)采用光電器件，克服了接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度慢、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等缺點(diǎn)，且體積小、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)［7］。LPC1768微控制器輸入端口采用下降沿中斷模式，保證了信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，提高了控制的精確度。行程開關(guān)電路如圖4所示。關(guān)電開關(guān)放置在各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)軸或多個(gè)軸往零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果固定在軸上的擋片運(yùn)行到U1 GK152光電器件槽內(nèi)，擋片擋住了連接在1、2腳上的發(fā)光二極管發(fā)出的光，U1的3腳輸出高電平，Q1導(dǎo)通，OUT端口輸出低電平信號(hào)。微控制器通過(guò)判斷端口信號(hào)是否為下降沿信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖4 行程開關(guān)電路

2.4 USB通信接口電路

LPC1768微控制器內(nèi)部含有USB通信接口，不需要外加USB接口芯片就能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。文中系統(tǒng)采用USB從機(jī)模式，數(shù)據(jù)傳輸速度最高達(dá)12 Mb／s，因此保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)準(zhǔn)確度，提高了抗干擾能力，減少了電路板的面積。USB通信接口電路圖如圖5所示，USB_Connect端口在軟件控制下，該端口用于切換R87、1.5kΩ外部電阻；USB_VCC端口用于監(jiān)控USB總線電源的存在；USB_D_N端口和USB_D_P端口用于數(shù)據(jù)傳輸；USB_Up_Led端口連接發(fā)光二極管用于顯示通信狀態(tài)。

圖5 USB通信接口電路

2.5 溫度傳感器電路

溫度傳感器采用負(fù)溫度熱敏電阻，溫度傳感器電路如圖6所示。

圖6 溫度傳感器電路

BED_NTC1，BED_NTC2兩端外接用于控制加熱床的熱敏電阻，EXTRUDER_NTC1，EXTRUDER_ NTC2兩端外接用于控制擠出機(jī)的熱敏電阻。BED_ Temp端口、EXTRUDER_Temp端口分別連接微控制器用于讀取加熱床的加熱溫度、擠出機(jī)的加熱溫度。

3 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件具有通信、數(shù)字信號(hào)的控制和數(shù)據(jù)讀取與處理等功能，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化；通過(guò)SPI接口讀取SD卡中的配置文件（SD卡中如果有配置文件，替換初始化中的配置文件；如果SD卡中沒(méi)有配置文件，使用初始化時(shí)的配置文件）；判斷是否有數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)（如果有讀取上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)保存在串口接收緩存區(qū)；如果沒(méi)有上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀SD卡中打印數(shù)據(jù)文件并保存到SD卡接收緩存區(qū)）；然后處理接收的數(shù)據(jù)，如果超過(guò)30 s沒(méi)有數(shù)據(jù)處理，關(guān)閉程序控制功能并停止步進(jìn)電機(jī)。軟件主流程圖如圖7所示。當(dāng)使用SD卡保存打印數(shù)據(jù)文件時(shí)，不需要與上位機(jī)連接，使系統(tǒng)工作在脫機(jī)打印狀態(tài)就可以獨(dú)立完成打印任務(wù)。初始化程序主要包括關(guān)中斷、中斷優(yōu)先級(jí)和中斷向量表的設(shè)置；系統(tǒng)時(shí)鐘源初始化；SPI串口初始化；系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器初始化；定時(shí)器0／1初始化；A／D轉(zhuǎn)換初始化；I／O引腳初始化；使能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A4988的ENABLE引腳；配置文件初始化等。

圖7 主程序流程

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制程序

由于步進(jìn)電機(jī)的極限啟動(dòng)頻率比較低，而運(yùn)行速度比較高，以要求的速度直接啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)不能正常啟動(dòng)，因此步進(jìn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中需要有一個(gè)加速－恒速－減速停止的過(guò)程。速度控制是通過(guò)控制系統(tǒng)的脈沖頻率或換向周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的［8］。步進(jìn)電機(jī)控制采用定時(shí)器1中斷實(shí)現(xiàn)。通過(guò)中斷讀取串口接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)或SD卡接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的總步數(shù)、加速步數(shù)、恒速步數(shù)、減速步數(shù)以及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向。然后通過(guò)程序判斷并給相應(yīng)的方向引腳和步進(jìn)引腳脈沖信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)控制流程

圖9 溫度控制流程

3.2 溫度控制程序

溫度控制程序?qū)崿F(xiàn)了加熱床、擠出機(jī)的溫度控制。通過(guò)10 ms的定時(shí)器中斷讀取溫度傳感器上的電壓模擬量，計(jì)算轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再根據(jù)溫度轉(zhuǎn)換表將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值，與設(shè)定的參考溫度比較實(shí)現(xiàn)溫度的控制。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了PID方式調(diào)節(jié)溫度，從而有效地控制溫度的偏移，提高了打印件的質(zhì)量。溫度控制流程圖如圖9所示。

通過(guò)上位機(jī)軟件顯示的實(shí)際測(cè)試溫度曲線如圖10所示。給出2種控制方式的設(shè)定溫度為180℃，PID參數(shù)為Kp＝22.2，Ki＝1.08，Kd＝114。

從圖中溫度曲線可以看出，PID調(diào)節(jié)的溫度較無(wú)PID調(diào)節(jié)的溫度曲線穩(wěn)定，無(wú)PID調(diào)節(jié)的溫度與設(shè)定溫度大約有10℃的波動(dòng)，且溫度偏高，有PID調(diào)節(jié)的溫度趨近于設(shè)定的溫度。

圖10 實(shí)際測(cè)試擠出機(jī)溫度曲線

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和正在打印3D模型如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以基于ARM的LPC1768芯片為控制核心，給出了實(shí)現(xiàn)桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。采用LPC1768微控制器提高了處理數(shù)據(jù)的能力，加快了打印速度，行程開關(guān)使用光電器件，減少了打印件各層的偏移，通過(guò)PID調(diào)節(jié)溫度減少了打印件斷絲，粗糙等擠出材料不均勻現(xiàn)象，提高了打印質(zhì)量。樣機(jī)測(cè)試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，打印質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)要求。

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Design of desktop 3D printer control system based on ARM

TAN Xiuteng，GUO Xiaoding，LI Xiaolong，YU Liang
School of Information and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China

The desktop 3D printer control systems with a sigle-chip controller have problems of slow processing speed，more pieces of outside chips，circuit complexity and poor quality of printing.To solve these problems，a desktop 3D printer control system with an ARM controller is designed.The system employs the LPC1768 microcon-troller based on ARM Cortex-M3 core which is introduced by the NXP and used to communicate with the host com-puter，data processing，analog acquisition and processing，signal control，used A4988 special two-phase stepper motor driver to implement stepper motor subdivision drive and to simplify the drive design for stepping motor.The travel switch circuit adopts GK152 infrared photoelectric sensor.The software adopted PID method in order to adjust the heating temperature of heating bed and extruder.This paper discusses the main hardware circuit design and soft-ware realization process of the control system.The System testing shows good performance.

Cortex-M3；LPC1768；desktop 3D printer；PID regulator；stepping motor／A4988

TP23

A

1009-671X（2014）05-057-06

10.3969／j.issn.1009-671X.201310013

2013-10-20.

日期：2014-09-24.

湖南省科技廳資助項(xiàng)目（2011TT2030）.

譚秀騰（1982-），男，碩士研究生；

郭小定（1963-），男，教授.

郭小定，E-mail：1336436647＠qq.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201310013.html