"废物利用"也抄袭——废旧喷墨打印机和光驱DIY"绘图仪"

很长时间没有写博客，因为各种各样的事情占去大块时间，只有零碎时间偶尔在CSDN逛逛也偶尔回几个帖子。很久以前就看到一些光驱DIY雕刻机之类的，很是向往，最近这几天得闲就TB了一套Arduino UNO R3实验套件，也实践了一番这种单任务平台，从点亮个LED翻到步进电机就再也忍不住了，于是狠狠的操作了一番ULN2003和28BYJ48，好在经过对度娘的一番拷问，了解了不少东西，基本了解了各种所需的基本知识，其中比较需要自己实验的方面列出来，以供大家参考：

一、步进电机、驱动和接线

买了两个L298N来驱动光驱步进电机，其中in1-in4就是接Arduino程序里面定义的引脚1-4，电源采用12V供电。我拆的两个光驱电机（拆了3个其中一个是无刷的），具体接法可以自己试一试，连接两个引脚之后转动有阻力的就是一组，有万用表测一下也可以的。我这两个光驱电机都是依次排列的，即12、34两组，所以接的时候依次接L298N的ou1-ou4即可。唯一需要注意的地方就是L298N的GND接到Arduino的GND上。

二、给Arduino编程

用c写代码还是蛮别扭的，就像你开了这么多年自动挡，让你开手动档能不能走起呢？当然能，就是得光想着离合那点事。这里主要考虑的就是绘图的话那2k的内存不好办，所以还得上位机控制，所以整个程序框架建立的时候就是服从上位机指令；然后就是电机工作的平稳性，如果电机带着整个机械机构在那广场舞，那激光指不定射谁一眼呢（虽然我打算绑只圆珠笔搞定），所以平稳还是要的，也就修改了电机库使它从4拍变为8拍并且增加了S型加速。所以说，驱动细分不细分的，软件实现就可以了，毕竟我们的要求不高，2k内存还是绰绰有余的。

1、与上位机通讯

发送消息很简单：

//请求数据
void RequestData() {
    Serial.println(r_RequestData);
    delayMicroseconds();        //16000000/96000=1666.66666
}

注意别粘包了就好。而且发送的字符尽量少，1个字节可以表示二百五还多的命令很够用了。

接收消息也不难，分类处理一下就可以了：

//板子初始化操作后进入的循环执行函数。
void loop() {
    if (Serial.available()!=) {
        msgLen = Serial.readBytes(msgBuff, msgBuffSize);        //读取消息
        if (msgLen > ) {
            CommandParsing(msgBuff);                            //处理消息
        }
    }else{
        RequestData();                                            //请求数据
    }
}

void CommandParsing(char buff[]) {
    if (buff[] == c_Stop) {
        DoStop();
    }else if (buff[] == c_xForward || buff[]==c_xBackOff) {
        DoxMove(buff[], ToInt32(buff));
    }else if (buff[] == c_yForward || buff[] == c_yBackOff) {
        DoyMove(buff[], ToInt32(buff));
    }else if (buff[] == c_zUp || buff[] == c_zDown) {
        DozMove(buff[]);
    }else if (buff[] == c_xSpeed) {
        xSpeed = ToFloat(buff);
        Serial.println(xSpeed);
        xStepper.setSpeed(xSpeed);
    }else if (buff[] == c_ySpeed) {
        ySpeed = ToFloat(buff);
        yStepper.setSpeed(ySpeed);
    }else {
        Serial.println(r_UnknownCommand);
    }
    memset(msgBuff, , msgBuffSize);
}

我的接收缓冲区只有5字节，也就是说每个命令都一样长——5字节，这可以让代码简单一些，看了一下Serial的源码，里面设置了接收缓冲区64字节，所以上位机可以一口气发10个命令，再多就被舍弃了，还是等待下位机请求之后再发才保险。

2、修改Stepper库

绝大部分还是保留原来的内容，只是稍作修改，在Stepper_CDROM.h中：

const int number_of_steps=;      // total number of steps this motor can take

unsigned long CurDelay;
    unsigned long GetSModelLine(int StepCount,int StepLeft);
    float sSpeed[] = {16.6667, 7.1429, 4.1667, 2.5, 1.6667, 1.3158, 1.1628, 1.0638};

把原来构造函数的第一个参数修改为常量8，后面也跟着修改了setSpeed函数的实现：

//设置每分钟转多少步
void Stepper_CDROM::setSpeed(float whatSpeed)
{
    this->step_delay = 60L * 1000L * 1000L / this->number_of_steps / whatSpeed;
}

就如注释的一样，设置的速度是每分钟的步数而不是转数，其实这个值最后还是要不断的调试得出，我最后确定了用这样一个数值：

float ySpeed = ;            //y轴步进电机每分钟步数的最大值

而和原来代码格格不入的变量名就是我搞出来的了，为了计算S型加速曲线，实际上只有8步速或减速过程，这些数值是最高速时的时间间隔的倍数。虽然这样做要比Exp函数（S型曲线的原函数计算非常耗时）来的快的多得多，但是由于我没有这方面的经验，所以步数和加速度可能很不理想。但是无论如何，我修改了原来代码的内容，使用了我的时间间隔来代替原有间隔，做为萌新看起来可能还不错：

void Stepper_CDROM::step(int steps_to_move)
{
    int steps_left;
    if (steps_to_move > ) {
        this->direction = ;
        steps_left = steps_to_move;
    }
    if (steps_to_move < ) {
        this->direction = ;
        steps_left = -steps_to_move;
    }
    int StepCount = steps_left;

    this->CurDelay = GetSModelLine(StepCount,steps_to_move);
                                                        // 到达延迟时间后转动一步，直到转动全部步数。
    while (steps_left > )
    {
        unsigned long now = micros();
        // 计算延迟是否到达
        if (now - this->last_step_time >= CurDelay)
        {
            // 记录本次转动时间:
            this->last_step_time = now;
            // 根据方向设置当前拍：
            if (this->direction == )
            {
                this->step_number++;
                if (this->step_number == this->number_of_steps) {
                    this->step_number = ;
                }
            }
            else
            {
                if (this->step_number == ) {
                    this->step_number = this->number_of_steps;
                }
                this->step_number--;
            }
            // 记录剩余步数：
            steps_left--;
            // 运行电机
            stepMotor(this->step_number % );
            //计算下一个延迟
            this->CurDelay = GetSModelLine(StepCount, steps_left);
        }
    }
}

unsigned long Stepper_CDROM::GetSModelLine(int StepCount,int StepLeft)
{
    if (StepCount < ) {
        return this->step_delay*;            //不足16步则无法完成一次加速和一次减速，以1/2最高速度运行。
    }
    if (StepLeft <= ) {
        return this->step_delay * this->sSpeed[StepLeft-];            //最后8拍倒序执行即减速。
    }
    if (StepCount - StepLeft < ) {
        return this->step_delay * this->sSpeed[StepCount - StepLeft];    //前8拍顺序执行即加速。
    }
    return this->step_delay;                                        //前后8拍之间的最高速度运行。
}

红的的行就是应用我的时间间隔的地方了，而下面的自定义函数就是计算过程，这只需要查表就可以了，当然，我懒到对于不能进行完整加减速的过程简单粗暴的用了一个半速。但无论如何，经过各种调试，现在这个光驱里拆出来的架子上面的机械机构运行时速度很快，声音很小；当然，还有更重要的一点，我测试的结果是500拍就差不多从一端走到另一端共3.8cm、12圈多一点，所以这个电机大约是40步转一圈，细分8拍之后，每一拍大约0.076mm，这个精度也可以了，但是如果用原来的库进行4拍驱动就只能达到0.152的精度，走6拍差不多1mm了，很明显的锯齿有木有。之前上传的程序有一点问题，已经修正了。下面添加一个光驱电机8拍的顺序：

1000、1100、0100、0110、0010、0011、0001、1001。1表示高电平，0表示低电平。

这几天又看了看A4988驱动，准备入手两三块，这个驱动编写程序要简单很多。

3、上位机程序

这下开上自动挡的赶脚又回来了，很简单的封一个类就可以：

    Private Enum Command As Byte
        c_Stop =         '暂停
        c_Continue =     '继续
        c_xForward =       'x轴前进
        c_xBackOff =       'x轴后退
        c_yForward =       'y轴前进
        c_yBackOff =       'y轴后退
        c_zUp =            'z轴抬起
        c_zDown =          'z轴落下
        c_xSpeed =         'x轴速度
        c_ySpeed =         'y轴速度
    End Enum

    Private Enum Request As Byte
        r_UnknownCommand = Asc("d")     '未知命令
        r_RequestData = Asc("e")        '请求数据
    End Enum

    Private WithEvents mPort As SerialPort
    Event RequestData(msg As String)

    Sub New(PortName As String, BaudRate As Integer)
        mPort = New SerialPort(PortName)
        mPort.BaudRate = BaudRate
        Try
            mPort.Open()
        Catch ex As Exception
            MsgBox(ex.ToString)
        End Try
    End Sub

    Private Sub mPort_DataReceived(sender As Object, e As SerialDataReceivedEventArgs) Handles mPort.DataReceived
        Dim inData As String = CType(sender, SerialPort).ReadLine.TrimEnd({CChar(vbCr), CChar(vbLf)})
        RaiseEvent RequestData(inData)
    End Sub

    Private Sub mPort_Disposed(sender As Object, e As EventArgs) Handles mPort.Disposed
        Try
            If mPort IsNot Nothing AndAlso mPort.IsOpen Then
                mPort.Close()
            End If
        Catch ex As Exception
        End Try
    End Sub

    Sub SendCommand_Stop()
        WritePort({Command.c_Stop, , , , })
    End Sub

‘此处省略其他函数封装。

    Private Sub WritePort(buff() As Byte)
        Try
            mPort.Write(buff, 0, 5)
        Catch ex As Exception
            MsgBox(ex.ToString)
        End Try
    End Sub

使用指定的端口名和波特率初始化一下端口类，定义命令和请求，然后封装好不同的命令和请求就可以了，当然这里请求处理还不完整也为了测试方便，把请求事件那里的条件去掉了，但并不影响对整个程序结构的理解。

虽然我的上位机程序对通讯部分进行了很多修改，但是整个框架还是这样的。添加了一些简单的功能，但是有些部分还不是很成熟，把经过测试没有问题的部分说明一下：

3.1图像的简单处理：

我使用了OPENCV组件（NUGET）来完成这样几个工作：

A、读取和显示图片

        Dim ofd As New OpenFileDialog
        Try
            ofd.Filter = "jpg files|*.jpg|png files|*.png|bmp files|*.bmp|all files|*.*"
            ofd.Multiselect = False
            If ofd.ShowDialog = DialogResult.OK Then
                ImgSrc = New Mat(ofd.FileName)
                pnlSrc.BackgroundImage = Mat2Img(ImgSrc)
            End If
        Catch ex As Exception
            MsgBox(ex.ToString)
        End Try

这个程序很简单，就是读取文件然后显示在Panel上。其中Mat2Img函数如下：

    Private Function Mat2Img(mat As Mat) As Bitmap
        Dim ms As New MemoryStream
        mat.WriteToStream(ms)
        Dim result As Bitmap = Bitmap.FromStream(ms)
        ms.Close()
        Return result
    End Function

就是利用内存流转储一下而已。

B、灰度化、二值化、边缘查找

ImgGray = ImgSrc.CvtColor(ColorConversionCodes.BGR2GRAY)

ImgBinary = ImgGray.Threshold(nudThreshValue.Value, nudThreshMaxValue.Value, cmb2ThresholdTypes)

Dim pss()() = ImgBinary.FindContoursAsArray(cmb2RetrievalModes, cmb2ContourApproximationModes)

这样就可以得到边缘的点坐标集合，并且这些点是相连的，所以可以优化绘制代码——按曲线绘制，比一行一行扫描看起来高大上一些。

C、二值图也按曲线绘制

这个功能还是利用我所熟悉的快速种子填充算法来做，只是Mat类获取点颜色的方法不太一样：

    Private Function FindRegionByPoint(img As Mat, mTable(,) As Boolean, rect As Rect, p As Point, color As Byte) As Point()
        Dim result As New List(Of Point)
        Dim mArray As New Queue                                 '栈——将处理点表
        Dim mP As Point = p                                     '正在处理点
        Dim mAP As Point                                        '临时变量——可能被入栈的点
        mArray.Enqueue(mP)                                      '入栈
        Do
            If mTable(mP.X, mP.Y) = False Then                  '若未处理过
                If img.At(Of Byte)(mP.Y, mP.X) = color Then     '相同颜色则添加临近点
                    mAP = New Point(mP.X, mP.Y - )                     '临近点入栈
                    If rect.Contains(mAP) AndAlso mTable(mAP.X, mAP.Y) = False Then mArray.Enqueue(mAP)
                    mAP = New Point(mP.X, mP.Y + )
                    If rect.Contains(mAP) AndAlso mTable(mAP.X, mAP.Y) = False Then mArray.Enqueue(mAP)
                    mAP = New Point(mP.X - , mP.Y)
                    If rect.Contains(mAP) AndAlso mTable(mAP.X, mAP.Y) = False Then mArray.Enqueue(mAP)
                    mAP = New Point(mP.X + , mP.Y)
                    If rect.Contains(mAP) AndAlso mTable(mAP.X, mAP.Y) = False Then mArray.Enqueue(mAP)
                    result.Add(New Point(mP.X, mP.Y))
                End If
                mTable(mP.X, mP.Y) = True                               '修改为已处理
            End If
            If mArray.Count =  Then Exit Do Else mP = mArray.Dequeue '出栈
        Loop
        Return result.ToArray
    End Function

这个函数中使用了一个加速表，因为这个函数只是从一个点来查找一片点，有多个相连的点集的时候需要重复调用，所以加速表是重复使用的，当然以前做过一些简单的测试，用bitarray来实现速度还要快一点。至于遍历整个图像的函数就不贴了，两层循环而已，没意思。

以上就是这些天做的一些努力，当然了，今天100大洋的激光头也到货了，插在两个光驱做的框架上做了一下测试，也遇到一些问题。激光器模组的散热套连个硅脂都不送，贴合不紧导热不好，在现在低负荷运行的条件下根本不发热，也就没处理；接的电源过了ULN2003之后电压降很多，又没有合适的变压器，索性直接插了Ardiuno，所以电流很低，和A4988一起入手一块恒压恒流模块准备给它供电，这样就可以功率调节到合适的程度，当然散热器上带个小风扇是一定的。后面再利用打印机的字车扩大一下雕刻范围，也许还会买个光轴做个大一点的。