Marlin固件的步进电机控制代码解析

    对于入行一年的我来说，桌面级FDM打印机很多功能细节，我还没能仔细了解：藏在固件代码背后的信息内容，我也远没有完全消化。这正说明一个简单的道理：消化一段代码的最有效方法是对其移植或者重写。换言之，仅仅是走马观花的浏览一遍，除非自己曾经编写过类似程序，很难能透彻的领会固件代码的精髓。特别是对Marlin这个数百名（可能不准确）开源工程师贡献和维护的大型固件项目。

    Marlin的步进电机驱动子系统，是由中断响应函数实现的。如果是恒定速度的步进电机驱动，实现就和这句话一样简单。不过对于3D打印机系统，x,y轴的运动往往速度变化非常频繁：不仅在每次更新位置的速度不同，而且每一段位移的速度也需要经历加速，恒速和减速阶段。这是由机械系统的惯性特征决定的：如果不同动作之间的速度衔接不好，会对电路系统造成强大的电流冲击。特别是3D打印过程，这种速度的变化每次打印任务都数以万计，这就意味着电路寿命将大打折扣。

    Marlin系统的速度衔接，基于leib Ramp Algorithm[1],这是一个支撑步进电机速度和控制器计数器频率关系的算法理论，由IBM的工程师于1994年发表并于2004年在控制器内实现。这里算法实现的关键在于路径规划器（planner）。路径规划器的设计意味着，程序在执行步进电机的动作之前，就已经计算好了整个过程的速度曲线。后面就只是Stepper模块忠实地执行。

    在机器层面，这样的设计减少了中断响应函数中的运算量，这对于单片机来说非常友好。同时3D打印机的机械运动相比控制器的16M主频来说要慢很多，路径规划器相比直接驱动，增加了一个运动缓存。这样就能够有效的利用控制器的高频率，里面蕴藏着“空间换取时间”的思想。

    在代码层面，planner的本质在于对于一个FIFO的管理。使用C++的结构体指针数据结构能够非常优雅的实现这个缓存的创建和管理：planner.h:

typedef struct {
  // Fields used by the bresenham algorithm for tracing the line
  long steps_x, steps_y, steps_z, steps_e;  // Step count along each axis
  unsigned long step_event_count;           // The number of step events required to complete this block
  long accelerate_until;                    // The index of the step event on which to stop acceleration
  long decelerate_after;                    // The index of the step event on which to start decelerating
  long acceleration_rate;                   // The acceleration rate used for acceleration calculation
  unsigned char direction_bits;             // The direction bit set for this block (refers to *_DIRECTION_BIT in config.h)
  float nominal_speed;                               // The nominal speed for this block in mm/sec 
  float entry_speed;                                 // Entry speed at previous-current junction in mm/sec
  float max_entry_speed;                             // Maximum allowable junction entry speed in mm/sec
  float millimeters;                                 // The total travel of this block in mm
  float acceleration;                                // acceleration mm/sec^2
  unsigned char recalculate_flag;                    // Planner flag to recalculate trapezoids on entry junction
  unsigned char nominal_length_flag;                 // Planner flag for nominal speed always reached

  // Settings for the trapezoid generator
  unsigned long nominal_rate;                        // The nominal step rate for this block in step_events/sec 
  unsigned long initial_rate;                        // The jerk-adjusted step rate at start of block  
  unsigned long final_rate;                          // The minimal rate at exit
  unsigned long acceleration_st;                     // acceleration steps/sec^2
  unsigned long fan_speed;
  #ifdef BARICUDA
  unsigned long valve_pressure;
  unsigned long e_to_p_pressure;
  #endif
  volatile char busy;
} block_t;

block_t block_buffer[BLOCK_BUFFER_SIZE];            // A ring buffer for motion instfructions
volatile unsigned char block_buffer_head;           // Index of the next block to be pushed
volatile unsigned char block_buffer_tail;

    volatile 关键字确保了队列头和队列尾被不同函数访问过程中，编译器不会因为优化和丢失更改行为。block_t类型的指针可以方便的方位结构体内任何元素。在后面的planner规划动作plan_buffer_line()中，代码可以用非常优雅的结构体指针来完成。

     每当3D打印机解析到位移指令的时候，plan_buffer_line()函数就被调用。在里面新的block_t首先被创建，并且排入队列的队尾；然后执行calculate_trapezoid_for_block()，计算新的block_t的关键速度节点及其对应的step数目；接着更新队列里面所有block_t的连接速度：之前队尾的block_t的收尾速度和相关速度节点会被更新。最后调用st_wake_up()保证stepper执行的中断打开。

    而在%steppper中，ISR函数负责在主循环之外，执行队列里可能存在的所有block_t。在ISR中，首先由plan_get_current_block（）读取队列首的block_t，然后按照结构成员的step数，调用STEP_ADD和STEP_IF_COUNTER两个宏来执行x,y,z三轴的运动。ISR每执行一次，三路各发出一个脉冲，并通过lamp ramp算法更新，根据下一个速度值来更新OCR1A寄存器来设定下一次中断响应的周期。

    整个软件C++实现妙至毫巅。建议大家在win环境使用eclipse来查看Cpp工程。eclipse对条件预编译的支持非常完美，#if def能够准确显隐，可读性非常好（见下图）。全局查询，go to define等功能也很完备。

    另外，eclipse有丰富的快捷键支持看代码：用ctrl+shift+G就能查到变量的引用；F12就能查到变量的定义。Alt+左键 /右键回到之前的鼠标位置和之后的鼠标位置；用CTRL+SHIFT+P就能寻找括号的另外一半。

    附Marlin项目