GRBL运动控制算法（一） GRBL1.1软件模块

前言

GRBL 是一款高性能、开源的嵌入式 CNC（计算机数控）控制器固件，专为 Arduino 平台优化，广泛应用于雕刻机、激光切割机、3D 打印机及其他精密运动控制场景。自 2009 年发布以来，GRBL 凭借其高效的运动规划算法、稳定的实时控制性能和紧凑的代码结构，成为创客、工程师和制造商的首选解决方案。

本文旨在主要剖析GRBL1.1软件架构，帮助读者理解 GRBL 运动规划。

一.GRBL1.1 模块分类

1.GRBL1.1 文件目录

GRBL的github开源地址：https://github.com/grbl/grbl

以下是基于GRBL1.1文件列出功能表

模块分类	头文件(.h)	源文件(.c)	主要功能描述
核心控制	coolant_control.h	coolant_control.c	冷却/波控功能，IO初始化和控制。
	spindle_control.h	spindle_control.c	主轴PWM控制及设置。
	motion_control.h	motion_control.c	运动控制流程（直线/圆弧插补、回原、复位等）。
G代码处理	gcode.h	gcode.c	G代码解析器，遵循rs274/ngc标准，支持手动指令接收。
系统配置	config.h	-	系统默认宏定义，硬件相关配置（端口、限位、主轴等）。
	defaults.h	-	系统命令定义、初始化参数及功能开关。
	cpu_map.h	-	定义不同 CPU 的引脚映射（步进电机、限位开关、主轴 PWM 等）。
	settings.h	settings.c	系统参数及状态通过串口上传至上位机。
存储管理	eeprom.h	eeprom.c	全局参数存储，带校验和计算。
运动规划	planner.h	planner.c	加减速规划（梯形算法、前瞻、拐角限制）。
脉冲生成	stepper.h	stepper.c	精确脉冲生成（DDA算法等）。
限位功能	limits.h	limits.c	限位检测与处理（中断调用、权限位管理、回原操作）。
通信模块	serial.h	serial.c	串口驱动及缓冲区管理。
	protocol.h	protocol.c	上位机通信协议解析。
工具与辅助	nuts_bolts.h	nuts_bolts.c	基础功能（延时、数学计算、单位转换）。
	print.h	print.c	串口字符打印。
系统命令	system.h	system.c	系统命令解析（如复位、状态报告）。
探针功能	probe.h	probe.c	探针相关操作与控制。
数据报告	report.h	report.c	实时状态反馈（如位置、速度、错误码）、系统诊断信息生成，通过串口上传至上位机。
文档与脚本	-	[doc], [csv], [log]	项目文档、报警码表格、提交日志。
	-	[script]	辅助脚本（Python），用于调试和PWM计算。
	-	[markdown]	说明文档（串口指令、接口等），需用Markdown编辑器阅读。
入口与全局	-	main.c	程序入口，预设应用初始化。
	grbl.h	-	系统预编译信息汇总（版本、错误提示等）。

2.GRBL1.1 思维导图

以下是基于GRBL1.1 主要功能模块画出思维导图

二.GRBL1.1 软件架构

1. 软件架构

以下是 GRBL软件架构流程图

2. 初始化阶段 main() 函数

Grbl 启动时，首先完成硬件和系统状态的初始化：

1.1 外设初始化

• serial_init()：初始化串口通信（用于接收G代码指令）。
• stepper_init()：配置步进电机控制引脚和定时器（脉冲生成准备）。
• spindle_init() / coolant_init()：主轴和冷却液控制初始化。
• limits_init() / probe_init()：限位开关和探针功能初始化。

1.2 系统状态重置

• plan_reset() / st_reset()：清空运动规划缓冲区和步进电机状态。
• gc_init()：初始化G代码解析器，重置坐标偏移和模态状态。

1.3 位置同步

• plan_sync_position() / gc_sync_position()：将逻辑坐标与实际机械位置同步（防止开机时位置错乱）。

1.4 进入主循环

• 调用 protocol_main_loop()，开始监听串口指令和实时控制。

3. 主循环运行阶段 protocol_main_loop()

2.1 串口指令处理流程

• 读取指令：serial_read() 从串口缓冲区获取字符，拼接成完整行（如 G1 X100 Y200）。
• 系统命令（如 $ 开头的配置命令）：调用 system_execute_line()，修改参数或触发非实时操作（如保存配置到EEPROM）。
• G代码运动命令（如 G0/G1/G2/G3）：调用 gc_execute_line()，解析G代码并转换为内部运动指令

2.2 实时控制流程 protocol_execute_realtime()

• 状态监控：检查限位触发、急停信号（sys.abort）。
• 运动控制：处理暂停/恢复（protocol_exec_rt_suspend()）、手动进给调整。
• 状态反馈：通过 report.c 实时上传位置、速度、错误码（如 <?> 状态报告）。

2.3 异常处理流程

• 限位触发：limits.c 检测到限位信号 → 触发 sys.abort → 立即停止脉冲生成并上报错误。
• 缓冲区溢出：plan_buffer_line() 检查 block_buffer 剩余空间，若不足则暂停G代码解析。

三.GRBL1.1 数据流

1. GRBL数据流

以下是GRBL 整体数据流图

2. 数据流流程图说明

指令输入：上位机通过串口发送指令，存入缓冲区后分类处理。

G代码解析：圆弧指令（G2/G3）被mc_arc()分解为线段，最终统一由mc_line()处理。

运动规划：plan_buffer_line()计算加减速曲线，缓冲数据后触发执行标志（EXEC_CYCLE_START）。

脉冲生成：定时器中断中通过DDA算法精确控制脉冲时序，实现位置跟踪。

实时响应：动态检测报警（限位/错误）、运动倍率调整、外设状态更新，形成闭环控制。

四.GRBL1.1 运动规划

1. 运动规划数据流

以下是GRBL运动规划数据流图

2. 运动规划结构体

2.1 plan_block_t（运动块结构体）

核心作用：描述单个运动块的几何参数和动力学特性

成员变量	类型	单位/范围	关键说明
direction_bits	uint8_t	位掩码	各轴方向标志位（如 X_DIRECTION_BIT ），0=正方向，1=负方向
steps[N_AXIS]	uint32_t	步数	每个轴需执行的步进脉冲数（如steps[X_AXIS]）
step_event_count	uint32_t	步数	总步数基准（取所有轴步数的最大值，决定运动时间）
entry_speed_sqr	float	(mm/min)²	实际进入该块时的速度平方（由速度前瞻计算）
max_entry_speed_sqr	float	(mm/min)²	允许的最大入口速度（受相邻块约束）
max_junction_speed_sqr	float	(mm/min)²	拐角连接点极限速度（基于junction_deviation计算）
nominal_speed_sqr	float	(mm/min)²	理论名义速度（受轴最大速度限制）
acceleration	float	mm/min²	实际加速度（可能低于全局设置值）
millimeters	float	mm	运动路径的几何长度

2.2 planner_t（规划器状态结构体）

核心作用：维护规划器的全局状态和历史数据

成员变量	类型	关键说明
position[N_AXIS]	int32_t	规划器坐标系下的绝对位置（步数），与G代码解析器独立
previous_unit_vec[N_AXIS]	float	前一个运动块的单位方向向量（用于计算拐角角度）
previous_nominal_speed_sqr	float	前一个块的名义速度平方（mm/min)²，用于速度连续性约束

2.3 plan_buffer_line();（运动参数传递函数）

核心作用：传递运动参数

参数名	类型	作用
*target	float[]	目标位置坐标（绝对毫米坐标，如 {x,y,z}）
*position	float[]	起点位置坐标（用于相对模式计算）
feed_rate	float	编程进给率（mm/min 或 逆时间模式下的 1/min）
condition	uint8_t	运动条件标志位
spindle_speed	float	主轴转速（RPM）