如何与 3D 打印机正确通信

Question

我必须编写一个 java 程序，通过网络接收 G-Code 命令并通过串行通信将它们发送到 3D 打印机。原则上一切似乎都很好，只要打印机需要超过 300 毫秒来执行命令。如果执行时间比这短，打印机接收下一个命令需要太多时间，导致命令执行之间出现延迟（打印机喷嘴静止约 100-200 毫秒）。这可能会成为 3D 打印的问题，因此我必须消除这种延迟。

为了比较：像 Repetier Host 或 Cura 这样的软件可以通过 seial 发送相同的命令，在命令执行之间没有任何延迟，所以它必须以某种方式成为可能。

我使用jSerialComm 库进行串行通信。

这是向打印机发送命令的线程：

@Override
public void run() {
if(printer == null) return;
    log("Printer Thread started!");
    //wait just in case
    Main.sleep(3000);

    long last = 0;
    while(true) {

        String cmd = printer.cmdQueue.poll();
        if (cmd != null && !cmd.equals("") && !cmd.equals("\n")) {
            log(cmd+" last: "+(System.currentTimeMillis()-last)+"ms");
            last = System.currentTimeMillis();
            send(cmd  + "\n", 0);
        }

    }
}

private void send(String cmd, int timeout) {
    printer.serialWrite(cmd);
    waitForBuffer(timeout);
}

private void waitForBuffer(int timeout) {
    if(!blockForOK(timeout))
        log("OK Timeout ("+timeout+"ms)");
}

public boolean blockForOK(int timeoutMillis) {
    long millis = System.currentTimeMillis();
    while(!printer.bufferAvailable) {
        if(timeoutMillis != 0)
            if(millis + timeoutMillis < System.currentTimeMillis()) return false;
        try {
            sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    printer.bufferAvailable = false;
    return true;
}

这是printer.serialWrite：（Arduino Java Lib 的“灵感”）

public void serialWrite(String s){
    comPort.setComPortTimeouts(SerialPort.TIMEOUT_SCANNER, 0, 500);
    try{Thread.sleep(5);} catch(Exception e){}

    PrintWriter pout = new PrintWriter(comPort.getOutputStream());
    pout.print(s);
    pout.flush();

}

printer 是类 Printer 的对象，它实现了 com.fazecast.jSerialComm.SerialPortDataListener

打印机相关功能

@Override
public int getListeningEvents() {
    return SerialPort.LISTENING_EVENT_DATA_AVAILABLE;

}

@Override
public void serialEvent(SerialPortEvent serialPortEvent) {
    byte[] newData = new byte[comPort.bytesAvailable()];
    int numRead = comPort.readBytes(newData, newData.length);
    handleData(new String(newData));
}

private void handleData(String line) {
    //log("RX: "+line);
    if(line.contains("ok")) {
        bufferAvailable = true;
    }
    if(line.contains("T:")) {
        printerThread.printer.temperature[0] = Utils.readFloat(line.substring(line.indexOf("T:")+2));
    }
    if(line.contains("T0:")) {
        printerThread.printer.temperature[0] = Utils.readFloat(line.substring(line.indexOf("T0:")+3));
    }
    if(line.contains("T1:")) {
        printerThread.printer.temperature[1] = Utils.readFloat(line.substring(line.indexOf("T1:")+3));
    }
    if(line.contains("T2:")) {
        printerThread.printer.temperature[2] = Utils.readFloat(line.substring(line.indexOf("T2:")+3));
    }
}

Printer.bufferAvailable 被声明为 volatile 我还尝试在另一个线程中阻塞 jserialcomm 的函数，结果相同。 我的瓶颈在哪里？我的代码是否存在瓶颈，或者 jserialcomm 是否会产生太多开销？

对于那些没有 3D 打印经验的人： 当打印机接收到有效命令时，它将将该命令放入内部缓冲区以最大限度地减少延迟。只要内部缓冲区中有可用空间，它就会回复ok。当缓冲区已满时，ok 会延迟，直到再次有空闲空间。 所以基本上你只需要发送一个命令，等待ok，立即发送另一个。

Answer 1

@Override
public void serialEvent(SerialPortEvent serialPortEvent) {
    byte[] newData = new byte[comPort.bytesAvailable()];
    int numRead = comPort.readBytes(newData, newData.length);
    handleData(new String(newData));
}

这部分是有问题的，事件可能在一整行被读取之前触发，所以可能只收到了一半的ok。在尝试将其解析为完整消息之前，您需要先缓冲（通过多个事件）并重新组合成消息。

在最坏的情况下，这可能会导致温度读数或ok 消息完全丢失，因为它们已被撕成两半。

查看InputStream example 并将其包装在BufferedReader 中以访问BufferedReader::readLine()。使用BufferedReader，您可以直接在主线程中使用它来轮询并同步处理响应。

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try{Thread.sleep(5);} catch(Exception e){}
sleep(1);

你不想睡觉。根据您的系统环境（我强烈假设这不是在 x86 上的 Windows 上运行，而是在嵌入式平台上的 Linux 上运行），sleep 可能比预期的要长得多。最长 30 毫秒或 100 毫秒，具体取决于内核配置。

写之前的睡眠首先没有多大意义，你知道串口已经准备好写，因为你已经收到了一个ok确认接收到之前发送的命令。

使用BufferedReader时，接收期间的睡眠变得毫无意义。

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comPort.setComPortTimeouts(SerialPort.TIMEOUT_SCANNER, 0, 500);

这实际上导致了您的问题。 SerialPort.TIMEOUT_SCANNER 在读取时激活等待期。在接收到第一个字节后，它将至少再等待 100 毫秒，以查看它是否会成为消息的一部分。因此，在它看到ok 之后，它会在操作系统端内部等待 100 毫秒，然后再假定这就是全部。

您需要SerialPort.TIMEOUT_READ_SEMI_BLOCKING 以实现低延迟，但除非缓冲，否则将出现第一段中预测的问题。

重复设置也会导致另一个问题，因为Serialport::setComPortTimeouts内部有200ms的睡眠。每个串行连接设置一次，仅此而已。

Answer 2

查看打印机手册（或告诉我们型号）不确定您是否真的需要等待ok，因此您可以同时读/写。有时有一个硬件流控制为你处理这些东西，有足够大的缓冲区。尝试直接发送命令而不等待ok，看看会发生什么。

如果您只想将命令从网络传输到串口，您可以使用现成的解决方案，例如socat。例如运行以下命令：

socat TCP-LISTEN:8888,fork,reuseaddr FILE:/dev/ttyUSB0,b115200,raw

将以 115200 的波特率将来自连接到 8888 端口的客户端的所有字节直接传送到/dev/ttyUSB0（反之亦然）。