Marlin固件的步進電機控制代碼解析

    對于入行一年的我來說，桌面級FDM打印機很多功能細節，我還沒能仔細了解：藏在固件代碼背后的信息內容，我也遠沒有完全消化。這正說明一個簡單的道理：消化一段代碼的最有效方法是對其移植或者重寫。換言之，僅僅是走馬觀花的瀏覽一遍，除非自己曾經編寫過類似程序，很難能透徹的領會固件代碼的精髓。特別是對Marlin這個數百名（可能不準確）開源工程師貢獻和維護的大型固件項目。

    Marlin的步進電機驅動子系統，是由中斷響應函數實現的。如果是恒定速度的步進電機驅動，實現就和這句話一樣簡單。不過對于3D打印機系統，x,y軸的運動往往速度變化非常頻繁：不僅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經歷加速，恒速和減速階段。這是由機械系統的慣性特征決定的：如果不同動作之間的速度銜接不好，會對電路系統造成強大的電流沖擊。特別是3D打印過程，這種速度的變化每次打印任務都數以萬計，這就意味著電路壽命將大打折扣。

    Marlin系統的速度銜接，基于leib Ramp Algorithm[1],這是一個支撐步進電機速度和控制器計數器頻率關系的算法理論，由IBM的工程師于1994年發表并于2004年在控制器內實現。這里算法實現的關鍵在于路徑規劃器（planner）。路徑規劃器的設計意味著，程序在執行步進電機的動作之前，就已經計算好了整個過程的速度曲線。后面就只是Stepper模塊忠實地執行。

    在機器層面，這樣的設計減少了中斷響應函數中的運算量，這對于單片機來說非常友好。同時3D打印機的機械運動相比控制器的16M主頻來說要慢很多，路徑規劃器相比直接驅動，增加了一個運動緩存。這樣就能夠有效的利用控制器的高頻率，里面蘊藏著“空間換取時間”的思想。

    在代碼層面，planner的本質在于對于一個FIFO的管理。使用C++的結構體指針數據結構能夠非常優雅的實現這個緩存的創建和管理：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 關鍵字確保了隊列頭和隊列尾被不同函數訪問過程中，編譯器不會因為優化和丟失更改行為。block_t類型的指針可以方便的方位結構體內任何元素。在后面的planner規劃動作plan_buffer_line()中，代碼可以用非常優雅的結構體指針來完成。

     每當3D打印機解析到位移指令的時候，plan_buffer_line()函數就被調用。在里面新的block_t首先被創建，并且排入隊列的隊尾；然后執行calculate_trapezoid_for_block()，計算新的block_t的關鍵速度節點及其對應的step數目；接著更新隊列里面所有block_t的連接速度：之前隊尾的block_t的收尾速度和相關速度節點會被更新。最后調用st_wake_up()保證stepper執行的中斷打開。

    而在%steppper中，ISR函數負責在主循環之外，執行隊列里可能存在的所有block_t。在ISR中，首先由plan_get_current_block（）讀取隊列首的block_t，然后按照結構成員的step數，調用STEP_ADD和STEP_IF_COUNTER兩個宏來執行x,y,z三軸的運動。ISR每執行一次，三路各發出一個脈沖，并通過lamp ramp算法更新，根據下一個速度值來更新OCR1A寄存器來設定下一次中斷響應的周期。

    整個軟件C++實現妙至毫巔。建議大家在win環境使用eclipse來查看Cpp工程。eclipse對條件預編譯的支持非常完美，#if def能夠準確顯隱，可讀性非常好（見下圖）。全局查詢，go to define等功能也很完備。

    另外，eclipse有豐富的快捷鍵支持看代碼：用ctrl+shift+G就能查到變量的引用；F12就能查到變量的定義。Alt+左鍵 /右鍵回到之前的鼠標位置和之后的鼠標位置；用CTRL+SHIFT+P就能尋找括號的另外一半。

    附Marlin項目