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GRBL源代码分析

原创地址：xufeixueren的博客的博客https://blog.csdn.net/xufeixueren/article/details/79663068

这段日子喜事连连，暂时把写博客的事情放下了，有时候想想好久没有写博客了，要不要写点啥呢。转念

一想，好像也没有啥值得写的心得体会，加上最近忙着结婚的事情，也就把写博客的事搁置了。周五本来

是要上班的，但是公司大厦供电系统维护，所以调休一天。借着安静的周五，加上最近一个多月研究GRBL

源代码的心得，写下这篇博客，供后来者参考学习。网上关于GRBL源代码分析的资料几乎找不到，这篇博

客里的内容大多是自己对源代码的理解，也有一部分是QQ群里的同行的心得。博客里没有写到，或者写的

不对的地方，欢迎大家留言共同探讨，共同进步。

（5）单条线段梯形加减速过程换算成定时器定时不同时间长短来输出脉冲的方法；

（6）限位条件的判断及轴自动归位的方法；

（7）其它spindle、coolant接口等，这些我也不知道干嘛用的，推测是给用户二次开发预留的接口。

下面详细介绍这些模块的实现细节，串口接收、指令解析这些很容易理解，就简单说说；spindle、coolant

这些还没有琢磨透，好像用到的情况也不多，不做描述；重点还是关注圆弧拆分线段、转角速度优化、线

段梯形加减速插补和自动归位的实现方法。

一、串口接收

串口配置成中断接收和中断发送模式，并创建了串口接收环形队列和串口发送环形队列，中断接收的数

据存放在串口接收环形队列里，串口需要发送的数据放到串口发送环形队列里。当串口产生中断时，如果

接收中断标志位置位，说明接收到数据，把数据读出放到接收队列，如果发送中断标志置位，说明发送寄

认配置参数信息和把外部设置的参数信息写入eeprom里，轴归位操作等功能。如果是G代码指令，就调用

uint8_t gc_execute_line(char *line)函数，里面包含了很多G代码的指令解析过程，由于重点放在研究直线插补

算法上，没有对G代码解析源码深入分析，这里只关注里面的执行圆弧和直线插补的代码，即只需要关心

void mc_line(float *target, float feed_rate, uint8_t invert_feed_rate)和void mc_arc(float *position, float *target, float

*offset, float radius, float feed_rate,uint8_t invert_feed_rate, uint8_t axis_0, uint8_t axis_1, uint8_t axis_linear)两个

函数即可。

三、圆弧拆分成多线段

GRBL中把圆弧拆分成多条逼近的直线段，然后对直线段进行插补，这种方法也就是俗称的把复杂曲线拆

分成多条逼近的直线的插补方法。圆弧拆分成直线段的方法，在void mc_arc(float *position, float *target, float

*offset, float radius, float feed_rate,uint8_t invert_feed_rate, uint8_t axis_0, uint8_t axis_1, uint8_t axis_linear)函数

invert_feed_rate，进给速率含义标志位，这里默认为零，表示进给速率的单位是min/mm，即分钟/毫米

axis_0，圆弧所在平面的第一个轴，可以是x/y/z中任意一个

axis_1，圆弧所在平面的第二个轴，可以是x/y/z中任意一个

axis_linear，除了圆弧平面之外的第三个轴，即与圆弧平面垂直的轴

void mc_arc(float *position, float *target, float *offset, float radius, float feed_rate,

uint8_t invert_feed_rate, uint8_t axis_0, uint8_t axis_1, uint8_t axis_linear)

{

//圆弧所在平面的圆心坐标

float center_axis0 = position[axis_0] + offset[axis_0];

float center_axis1 = position[axis_1] + offset[axis_1];

atan2是反正切函数，a=atan2(y,x)，即角度a=y/x的正切值

float angular_travel = atan2(r_axis0*rt_axis1-r_axis1*rt_axis0, r_axis0*rt_axis0+r_axis1*rt_axis1);

if (gc_state.modal.motion == MOTION_MODE_CW_ARC) {

//如果圆弧顺时针移动，角度应该是负值，如果计算出的角度为正值，需要在计算出的角度基础上减

去2*pi（pi为圆周率）

if (angular_travel >= 0) { angular_travel -= 2*M_PI; }

} else {

//如果圆弧逆时针移动，角度应该是正值，如果计算出的角度为负值，需要在计算出的角度基础上加

上2*pi（pi为圆周率）

if (angular_travel <= 0) { angular_travel += 2*M_PI; }

k*k=h*(2*r-h)。这样总共的小线段个数也就出来了，这就是下面这个公式的含义。

uint16_t segments = floor(fabs(0.5*angular_travel*radius)/

sqrt(settings.arc_tolerance*(2*radius - settings.arc_tolerance)) );

}

......

//这里是计算圆心与每条小线段所夹的角T，即上图中角AOB的余弦值和正弦值，由于角度很小，这里采

用了三角函数的泰勒级数展开公式计算cosT和sinT。cosT的二阶泰勒级数为1-T*T/2，sinT的三阶泰勒级数

为T-T*T*T/6，为了计算方便，cos_T 被放大了两倍，后面又乘上了0.5复原了。有cosT和sinT的泰勒级数公

式，cosT被放大了两倍，可以推出sinT=T*(4+cosT)/6，即下面计算sinT的公式的来源。

float cos_T = 2.0 - theta_per_segment*theta_per_segment;

for (i = 1; i<segments; i++) {

if (count < N_ARC_CORRECTION) {

//这就是用上述公式求下一条线段的起始坐标的具体计算。当累计计算线段数超过

N_ARC_CORRECTION个数时，要调用N_ARC_CORRECTION个线段总共转动的角度来计算最终的坐标移

动值，这样可以消除因每次使用sinT、cosT的近似泰勒值运算的累积误差

r_axisi = r_axis0*sin_T + r_axis1*cos_T;

r_axis0 = r_axis0*cos_T - r_axis1*sin_T;

r_axis1 = r_axisi;

count++;

} else {

//调用N_ARC_CORRECTION个线段总共转动的角度来计算最终的坐标移动值

cos_Ti = cos(i*theta_per_segment);

sin_Ti = sin(i*theta_per_segment);

r_axis0 = -offset[axis_0]*cos_Ti + offset[axis_1]*sin_Ti;

position[axis_0] = center_axis0 + r_axis0;

position[axis_1] = center_axis1 + r_axis1;

position[axis_linear] += linear_per_segment;

//线段插补

mc_line(position, feed_rate, invert_feed_rate);

......

}

}

//把圆弧终点作为最后一条线段的终点坐标进行直线插补，确保圆弧上所有的点包含进了直线里

mc_line(target, feed_rate, invert_feed_rate);