อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เช่น AVR แต่ฉันเห็นชิป ARM ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ชิป ARM ได้รับการกล่าวขานว่ามีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ในด้านใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยได้ อะไรคือคุณสมบัติที่ AVR ใช้ต่อสู้กับและที่ ARM น่าจะดีกว่า?
การเคลื่อนไหวความเร็วสูง? เครื่องพิมพ์เดลต้า จอแสดงผลกราฟิก?
และ AVR มีข้อ จำกัด จริงๆหรือเปล่า?
คำตอบ:
คอนโทรลเลอร์เครื่องพิมพ์ 3 มิติต้องทำสิ่งต่างๆมากมายอย่างรวดเร็วมาก การแสดงกลศาสตร์การเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงการคำนวณขณะที่การส่งหลายพันแม่นยำตรงกันพัขั้นตอนต่อที่สองคือจริงๆยากจริงๆ 8 บิต AVR ของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ในตัวควบคุมเครื่องพิมพ์ 3D รุ่นเก่านั้นเป็นโปรเซสเซอร์ Mr Coffee ในช่วงปลายปี 1990 พวกเขาใช้เวลาอย่างเต็มที่ในการประมวลผลเพียงแค่ใช้ฟังก์ชั่นการพิมพ์ขั้นพื้นฐานในเครื่องพิมพ์แบบง่าย ๆ (เช่นคาร์ทีเซียน) และการเพิ่มภาระการคำนวณเพิ่มเติมจะทำให้พวกเขาชะงักและทำให้การทำงานช้าลง
"แต่เครื่องพิมพ์ 8 บิตของฉันทำงานได้ดี" คุณพูด ไม่เลย ประสิทธิภาพการพิมพ์ของคุณถูก จำกัด ไม่ว่าคุณจะเข้าใจหรือไม่ก็ตาม ตัวแบ่งส่วนข้อมูลจะซ่อนข้อบกพร่องด้านประสิทธิภาพของเฟิร์มแวร์จำนวนมากโดยอัตโนมัติจากคุณ ตัวอย่างเช่นการปฏิบัติมาตรฐานของการชะลอความเร็วในการพิมพ์ลงอย่างมากในขอบเขตส่วนใหญ่เป็นผลมาจากโปรเซสเซอร์ 8 บิตที่มีทรัพยากรไม่เพียงพอสำหรับสองสิ่ง:
เมื่อนำเสนอด้วยชุดของส่วนที่เล็กมากในส่วนโค้งเรียบหรือโค้งที่ซับซ้อนเฟิร์มแวร์ 8 บิตน่าจะทำให้หายใจไม่ออกในอัตราการประมวลผลคำสั่งที่จำเป็นและแนะนำการพูดติดอ่างกับการพิมพ์ การหยุดชั่วครู่สั้น ๆ อย่างไม่น่าเชื่อนี้ช่วยให้แรงดันตกค้างในเครื่องอัดรีดสามารถผลักพลาสติกออกมาได้บางส่วน ดังนั้นตัวแบ่งส่วนข้อมูลส่วนใหญ่จะกำจัดเส้นโค้งและรหัส gcode ออกโดยอัตโนมัติด้วยความละเอียดที่ลดลงเพื่อแบ่งเบาภาระให้กับเฟิร์มแวร์ แก้ไขปัญหาใช่มั้ย
แต่มีปัญหาอื่น - อัลกอริธึมการควบคุมการเคลื่อนไหว GRBL ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับตัวควบคุมเครื่องพิมพ์ 3D โอเพ่นซอร์สที่สำคัญทั้งหมดได้รับการออกแบบด้วยทางลัดและแฮ็กจำนวนมากเพื่อให้ตัวประมวลผล 8 บิตทำงานเร็วพอ ตัวอย่างเช่นอัลกอริทึมพื้นฐานดูเฉพาะการเปลี่ยนแปลงความเร็วหรือความเร็วที่มุมระหว่างสองเซ็กเมนต์และใช้สิ่งนั้นเพื่อตัดสินใจว่าเมื่อใดที่จะชะลอตัว / เร่งตามทิศทางของการเคลื่อนไหว มันไม่ได้คำนวณหรือพิจารณาการเร่งความเร็วของศูนย์กลาง / รัศมี นี่เป็นแฮ็คที่มีประสิทธิภาพจริง ๆ เมื่อพิมพ์แบบจำลองที่มีความละเอียดต่ำ แต่มีความคลาดเคลื่อนบนกราฟที่ราบรื่นและมีเซ็กเมนต์เล็ก ๆ น้อย ๆ จำนวนมาก เฟิร์มแวร์ไม่ได้ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเร็วที่เห็นได้ที่มุมของส่วนใดส่วนหนึ่งที่เกือบเป็นเส้นตรงภายในส่วนโค้งของเหลี่ยมเพชรพลอยและดังนั้นจึงไม่ช้าลงสำหรับเส้นโค้ง
ขอบเขตการพิมพ์ที่ไม่มีการเร่งความเร็วหมายถึงอัตราป้อนที่ได้รับคำสั่งต้องต่ำมากเพื่อให้ได้คุณภาพที่ดี เครื่องพิมพ์ส่วนใหญ่จะ จำกัด อยู่ที่ประมาณ 40 มม. / วินาทีหรือน้อยกว่าบนขอบเขตที่ซับซ้อนแม้ว่าจะสามารถทำงานได้ 80-120 มม. / วินาทีบน infill ที่มีความซับซ้อนต่ำก่อนที่จะ จำกัด ความเร็วอื่น ๆ
ระหว่างข้อ จำกัด อัตราการประมวลผลคำสั่งและข้อบกพร่องการวางแผนการเคลื่อนไหวที่ต้องการโดยตัวประมวลผลพลังงานต่ำความเร็วในการพิมพ์จะต้องต่ำกว่าในทางปฏิบัติมากกว่าที่จำเป็นโดยฟิสิกส์และฮาร์ดแวร์เครื่องพิมพ์อย่างเคร่งครัด ทั้งหมดนี้มาจากโปรเซสเซอร์ 8 บิต การแก้ปัญหาและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการจัดการกับปัญหานี้ได้รับการเจาะลึกลงไปในเครื่องมือและระบบนิเวศซึ่งผู้คนเพียงไม่กี่คนตระหนักว่ามีแม้แต่ปัญหา แต่เป็นข้อ จำกัด ที่สามารถเอาชนะได้: โปรเซสเซอร์ความเร็วสูงที่ใช้ตัววางแผนการเคลื่อนไหวที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสามารถสร้างความเร็วในการพิมพ์โดยเฉลี่ยที่สูงขึ้นด้วยคุณภาพการพิมพ์ที่ดีขึ้น
ที่กล่าวว่าเฟิร์มแวร์ที่ใช้ ARM นั้นจะค่อยๆเคลื่อนไปยังผู้วางแผนการเคลื่อนไหวที่ก้าวหน้ากว่า นี่คือพื้นที่การพัฒนาที่ยิ่งใหญ่ในตอนนี้ที่จริงแล้วกำลังผลักดันการเปลี่ยนแปลงที่กำลังจะเกิดขึ้นจาก ARM ระดับล่างเช่น Cortex M3 ไปสู่โปรเซสเซอร์ที่เร็วยิ่งขึ้น จริงๆแล้วมันไม่ใช่ทั้งหมดที่ยากที่จะทำออกมาได้สูงสุดเนื่องจาก Arduino 84 MHz โดยการซ้อนทับกับฟีเจอร์เฟิร์มแวร์มากมาย
การใช้โปรเซสเซอร์ 8 บิตทำให้เครื่องพิมพ์ดังขึ้น ผู้บริโภคที่ใหญ่ที่สุดของเวลาตัวประมวลผลในเครื่องพิมพ์ 8 บิตทั่วไปคือการขัดจังหวะแบบสเต็ปซึ่งจะยิงจังหวะขั้นตอนเพื่อให้มอเตอร์เคลื่อนที่ เป็นเรื่องปกติสำหรับ> 60% ของรอบสัญญาณนาฬิกาทั้งหมดบน Atmega AVR เพื่อไปยังขั้นตอนการยิงพัลส์ เนื่องจากสิ่งนี้เกิดขึ้นเป็นอินเทอร์รัปต์งานประมวลผลอื่น ๆ ที่เครื่องพิมพ์ต้องดำเนินการ - เช่นการคำนวณการเร่งความเร็วและการควบคุมตัวทำความร้อน
หากไม่มีการออกแบบเฟิร์มแวร์อย่างระมัดระวังขั้นตอนพัลส์จะทำให้ "ทำงานได้ดี" อย่างสมบูรณ์เช่นฟังก์ชั่นการอัปเดตหน้าจอ LCD และการคำนวณการเร่งความเร็ว เพื่อให้อัตราการเคลื่อนไหวสูงขึ้นโดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรตัวประมวลผลทั้งหมด 8 บิตเฟิร์มแวร์มีโหมดที่เรียกว่า "step doubling" ที่ยิงสองจังหวะ (หรือสี่หรือแปด) จังหวะพัลส์ต่อสเต็ปอินเตอเรเตอร์ ) สามารถใช้สเต็ปอินเทอร์รัปต์จำนวนมากเพื่อสร้างความเร็วในการเคลื่อนที่ที่เท่ากัน การปฏิบัตินี้จะขจัดคอขวดของโปรเซสเซอร์ แต่มันทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของมอเตอร์ที่รุนแรงและดังขึ้นเพราะพัลส์ขั้นตอนจะถูกยิงด้วยการระเบิดมากกว่าที่จะเป็นความถี่คงที่ ผลที่ได้คือระดับไมโครสเต็ปของมอเตอร์จะตกไปที่โหมด coarser เมื่อสเต็ปเปอร์อินเตอร์รัคทำให้เกิดการดับเบิ้ลหรือควอดสี่เหลี่ยม ดังนั้นมอเตอร์จึงดังขึ้นแม่นยำน้อยลง
ผลข้างเคียงที่น่าสนใจคือถ้าคุณเปลี่ยนเครื่องพิมพ์ที่ใช้ Marlin จาก 1/16 microstepping เป็น 1/32 microstepping และให้ความเร็วในการพิมพ์เท่ากันเฟิร์มแวร์ก็จะเริ่มต้นเป็นสองเท่าลดระดับ microstepping ที่มีประสิทธิภาพของคุณกลับลงมาเป็น 1/16
เฟิร์มแวร์ที่ใช้ ARM นั้นใช้การเพิ่มเป็นสองเท่าในขั้นตอน แต่โดยทั่วไปแล้วอัตราขั้นตอนที่อนุญาตจะสูงขึ้นประมาณ 8 เท่าก่อนที่จะใช้การก้าวสองครั้ง / สี่เท่า นั่นอาจหมายถึงความเร็วที่สูงขึ้นและ / หรือการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นขึ้น
ปัญหาอีกประการหนึ่งของ 8bit AVRs คือการขาดจุดลอยตัวของฮาร์ดแวร์และจำเป็นต้องใช้วงจรนาฬิกาจำนวนมากในการคำนวณที่มีความแม่นยำสูงหรือจัดการกับตัวเลขจำนวนมาก ฟังก์ชันการปรับระดับอัตโนมัติการคำนวณการเคลื่อนที่ด้วยจำนวนขั้นตอนที่สูงมากสำหรับเครื่องพิมพ์ขนาดใหญ่และฟังก์ชั่นขั้นสูงอื่น ๆ ใช้เวลานาฬิกาจำนวนมากในโปรเซสเซอร์ 8 บิต การออกแบบเฟิร์มแวร์ไม่ดีหรือการเพิ่มคุณสมบัติที่ต้องใช้รากที่สองและฟังก์ชันตรีโกณมิติเล็กน้อยจะทำให้โปรเซสเซอร์หยุดชะงัก ลักษณะการคืบและการขยายตัวของรหัสชนิดนี้ส่งผลกระทบต่อการทำงานของมาร์ลินอย่างจริงจังเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากผู้คนต้องการ AVR รุ่นเก่ามากขึ้นเรื่อย ๆ
ในการเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์ 32 บิตไม่เพียง แต่มีนาฬิกาที่เร็วขึ้นและรอบนาฬิกามากขึ้นเท่านั้น แต่ยังสามารถทำคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนมากขึ้นในรอบนาฬิกาน้อยลงเพราะมีฟังก์ชั่นการใช้งานฮาร์ดแวร์ที่ดูแลขั้นตอน 8 บิต โปรเซสเซอร์ต้องทำในซอฟต์แวร์
โปรเซสเซอร์ 8 บิตทำงานอย่างไร แน่นอนว่าพวกเขาทำงานได้ดีอย่างน่าประหลาดใจสำหรับสิ่งที่พวกเขาและสิ่งที่เราถามพวกเขา แต่พวกเขาจะ จำกัด ประสิทธิภาพและคุณสมบัติของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ทันสมัยอย่างไม่ต้องสงสัย แม้แต่โปรเซสเซอร์ 32 บิตในปัจจุบันก็ยังได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดด้วยเครื่องพิมพ์ความเร็วสูงและฟีเจอร์ที่หนักหน่วง โปรเซสเซอร์ 8 บิตมีอยู่แล้วสองชั่วอายุคนแล้วหลังสิ่งที่จะมีคุณสมบัติเป็นตัวควบคุมเครื่องพิมพ์ 3D "ทันสมัย"
โดยทั่วไปแล้ว AVR มีประสิทธิภาพน้อยกว่า ARM ARM หลาย ๆ รุ่นที่ใช้กันในปัจจุบัน เครื่องพิมพ์ส่วนใหญ่ที่ใช้ AVR ไม่มีตัวประมวลผลลอยตัวแม้ว่าขั้นตอนและการควบคุมการเคลื่อนไหวสามารถทำได้ในคณิตศาสตร์จำนวนเต็มเท่านั้น (ยกเว้น G2 / G3) Marlin สามารถขัดจังหวะเพื่อจัดการขั้นตอนสูงถึง 10,000 เท่าต่อวินาทีบน AVR แปลเป็น 40000 ขั้นตอนต่อวินาที สิ่งนี้ไม่มีประโยชน์อย่างยิ่งหากไม่มีส่วนประกอบเชิงกลที่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหล่านั้นและยังพิมพ์ผลลัพธ์ที่มีความหมาย (หรือแม่นยำยิ่งขึ้นและมีการนับก้าวต่อมิลลิเมตรที่สูงกว่าด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกัน)
การแสดงผลกราฟิกไม่ใช่สิ่งที่ต้องเสียภาษีโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเร็วต่ำ - ความเร็วสูงหรืออินเทอร์เฟซแปลก ๆ อาจต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเล็กน้อยหรือการขัดจังหวะโดยเฉพาะ
ครั้งเมื่อ ARM อาจจะมีความสำคัญมากคณิตศาสตร์หนักและโดยเฉพาะอย่างยิ่งจุดลอยตัวหนักการตั้งค่าเช่นเดลต้าที่ทุกย้ายต้องใช้หลายจุดลอยตัวและการดำเนินงานหนุนและนำทางในเมนูบน 16MHz AVR (atmega2560) อธิบายไว้ เป็น "เจ็บปวดช้า" แต่มาร์ลินไม่ประสบความสำเร็จในการพิมพ์ผลที่มีความหมายกับเครื่องพิมพ์เดลต้าสไตล์
เห็นได้ชัดว่า ARM ARM ที่เร็วกว่าในการแสดงจุดอ่อนแบบนุ่มนวลหรือรองรับ hardfloat (ฮาร์ดแวร์ที่ทำงานในจุดลอยตัวอย่างมีประสิทธิภาพมาก) จะเห็นประโยชน์สำหรับกระบวนการดังกล่าว
โดยทั่วไปแล้วไมโครคอนโทรลเลอร์เช่น AVR เป็นแกนเดี่ยว / เธรดเดี่ยวดังนั้นขณะทำงานในขณะที่วนรอบเพื่อเรียกใช้ตัวควบคุมมอเตอร์คุณอาจขาดทรัพยากรในการทำสิ่งอื่นเช่นนำทางเมนูอย่างมีประสิทธิภาพ
ตัวประมวลผล ARM จำนวนมากในแต่ละวันมีหลายคอร์ / หลายเธรดซึ่งหมายความว่าคุณสามารถมีเธรดหนึ่งที่ทำงานการพิมพ์ของคุณในขณะที่โพรเซสเซอร์อื่น ๆ นั้นฟรีสำหรับทุกสิ่งที่ผู้ใช้อาจต้องการทำ
นั่นคือโปรเซสเซอร์ AVR ใด ๆ ที่ใช้เว็บเซิร์ฟเวอร์ในพื้นที่เพื่อให้สามารถเข้าถึงเครื่องพิมพ์จากระยะไกลได้นั้นจะเป็นเรื่องเจ็บปวดขั้นพื้นฐานโดยทั่วไปแล้ว ARM จะอนุญาตให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น
โปรเซสเซอร์ AVR มีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับการพิมพ์มาตรฐาน แต่มันไม่มีประสิทธิภาพสำหรับ
การเปรียบเทียบข้อกำหนดทางเทคนิคควรอธิบายด้วยตนเอง ซีพียู ARM นี้โดยเฉพาะนั้นเร็วกว่า 10x ที่ตรงกันข้ามกับ ATmega2560:
โปรเซสเซอร์ AVR เป็น 8 บิต - ดังนั้นพวกเขาสามารถดึงข้อมูลจากหน่วยความจำ 8 บิตในแต่ละครั้ง - ในขณะที่ ARM เป็น 32 บิตและสามารถดึงข้อมูล 32 บิตในแต่ละครั้ง ความละเอียดของตำแหน่งต้องมีค่าต่ำสุด 24 บิตซึ่งหมายความว่า AVR จะรับข้อมูล 3 ครั้งสำหรับตำแหน่ง - ในขณะที่ ARM รับข้อมูล 1 ครั้ง
อย่างไรก็ตามโปรเซสเซอร์ AVR ยังแบ่งนาฬิกาเป็น 3 ภายในเพื่อให้ 40 MHz AVR ทำงานที่ 13.3 MHz โดยทั่วไปในขณะที่ ARM คือ 1 รอบสัญญาณนาฬิกาต่อการทำธุรกรรมบัสและการประมวลผลคำสั่ง - ซึ่งรวม 32 บิตคูณ 32 บิตใน 1 วงจรนาฬิกา
แผนที่หน่วยความจำบนโปรเซสเซอร์ ARM นั้นกว้าง 32 บิตหรือ 4 GB ในขณะที่โปรเซสเซอร์ 8 บิตมีบัสแอดเดรส 16 บิตหรือ 64 KB เท่านั้นซึ่งหมายความว่าการสลับธนาคารเข้ามาเล่นในโปรแกรมใด ๆ ที่มีขนาด 64 KB ใช้เวลาและคำแนะนำในการ ทำ - ในขณะที่ใช้ ARM นี่ไม่ใช่ปัญหา
ด้านค่าใช้จ่ายเป็นเรื่องเดียวกันกับ AVRs เพียงแค่ต้องการเฟิร์มแวร์ที่ออกแบบใหม่
สำหรับ FPGA:
ผลลัพธ์ของการเพิ่ม FPGA ให้กับ AVR จะมีราคาสูงกว่าการใช้โปรเซสเซอร์ ARM ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า
- -และ- - - -) ซึ่งค่อนข้างกวนใจ