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Klipper 中的 MCU

Klipper 由两个主要部分组成：

  • 主机 — 带有 Klipper 的 Linux 计算机，如 Raspberry Pi、Orange Pi、迷你 PC 等；
  • MCU — 物理控制引脚的微控制器板。

主机进行高级决策、读取配置、处理 G 码并计划操作。MCU 在硬件上执行精确命令：切换输出、读取输入、计数时间、生成 PWM 并向主机报告状态。

Klipper 中的 MCU 是什么

MCU 代表微控制器单元。

在 Klipper 的上下文中，它是一个特定的板：

  • 主 3D 打印机电路板；
  • 单独的 RP2040 板；
  • 单独的 STM32 板；
  • CAN/工具头板；
  • 附加 I/O 板。

MCU 不会"像整个打印机一样思考"。它执行主机发送的低级命令。这种分离使 Klipper 灵活：您可以添加第二个或第三个 MCU 并在一个共享配置中使用其引脚。

它看起来如何

简化方案：

Klipper 主机和多个 MCU

主机通过 USB、UART 或 CAN 与 MCU 通信。在 Klipper 配置中，每个 MCU 获得自己的部分，该 MCU 的引脚然后在风扇、传感器、加热器、输出和其他模块设置中使用。

主机做什么

主机：

  • 存储和读取 printer.cfg；
  • 接受 G 码和用户命令；
  • 维护高级逻辑；
  • 随时间安排操作；
  • 同步与 MCU 的通信；
  • 决定何时切换风扇、加热器或其他输出；
  • 从 MCU 接收读数和状态。

如果这些引脚在外部板上，主机不会直接向风扇施加电流或读取热敏电阻。它只告诉 MCU 要做什么。

MCU 做什么

MCU：

  • 物理控制 GPIO；
  • 读取输入和传感器；
  • 生成 PWM；
  • 在正确的时间执行命令；
  • 向主机报告结果；
  • 如果固件和配置这样设置，在错误时进入关闭。

例如，如果配置在引脚 PA8 上有风扇，则具有该引脚的 MCU 会改变其状态。主机只发送命令。

[mcu] 是什么意思

在 printer.cfg 中，[mcu] 部分描述 Klipper 应该连接的微控制器。

USB/串行示例：

[mcu]
serial: /dev/serial/by-id/usb-Klipper_stm32f446xx_...

对于附加 MCU，您使用名称：

[mcu chamber]
serial: /dev/serial/by-id/usb-Klipper_rp2040_...

之后，可以使用前缀指定附加 MCU 的引脚：

[temperature_sensor chamber_air]
sensor_type: Generic 3950
sensor_pin: chamber:gpio26

[fan_generic chamber_fan]
pin: chamber:gpio15

逻辑很简单：chamber:gpio15 表示"MCU chamber 上的引脚 gpio15"。

引脚名称和前缀

Klipper 使用硬件引脚名称。

例子：

  • 对于 STM32：PA4、PB0、PC13；
  • 对于 RP2040：gpio15、gpio26；
  • 对于 Arduino/AVR，可能有他们自己的别名。

引脚名称之前可能有符号：

  • ! — 反转逻辑；
  • ^ — 如果 MCU 支持，启用上拉；
  • ~ — 如果 MCU 支持，启用下拉。

例子：

[gcode_button chamber_door]
pin: ^chamber:gpio12

这不是"Klipper 魔法"，而是特定 MCU 上输入引脚的特定设置。因此，电路板引脚图必须准确。

为什么需要附加 MCU

当您需要将外围设备分离到单独的块中时，附加 MCU 很有用。

iDryer 类设备的示例：

  • 腔室温度和湿度传感器；
  • 循环风扇；
  • 过滤器风扇；
  • 背光；
  • 门按钮；
  • 盖子传感器；
  • 阻尼伺服；
  • 带负载单元的单独模块；
  • 附加 OLED 或 RFID；
  • 在设备附近路由更方便的紧急输入。

当设备应该是 Klipper 系统的一部分而不是单独的 Wi-Fi 盒时，这种方法很方便。

MCU 方法或独立控制器

有两条不同的路径。

Klipper 中的 MCU：

  • 设备从 printer.cfg 控制；
  • 引脚对 Klipper 可见；
  • 您可以使用现有部分，如 fan_generic、temperature_sensor、heater_generic、output_pin；
  • 状态在 Klipper 界面中可见；
  • 需要与主机通信。

独立控制器：

  • 设备做出自己的决定；
  • 可能有 Wi-Fi、网络界面、MQTT；
  • 不需要依赖打印机；
  • 需要自己的固件和安全逻辑；
  • 不作为 Klipper 中的常规 [mcu] 连接。

ESP32 通常适合独立的 Wi-Fi 设备。RP2040 和 STM32 通常更方便作为 Klipper 中的有线 MCU。

USB、UART 和 CAN

主机和 MCU 之间的通信可以不同。

USB — 对于主机附近的一个或两个板，最常见和简单的选择。对于 Pico、STM32 板和许多打印机板来说很方便。

UART — 通过单独的 TX/RX 引脚的串行通信。在某些板上可能有用，但需要仔细的级别、地面和速度连接。

CAN — 对于远程模块、工具头板和更稳定的有线架构很方便。但 CAN 需要受支持的微控制器、CAN 收发器、正确的总线、终结器和 Linux 接口设置。

对于第一个附加控制器，USB 通常更简单。当有真正的原因时，CAN 是有意义的：更长的布线、多个节点、工具头板或现有的 CAN 基础设施。

MCU 不保护电源部分

重要：添加 MCU 不会使负载安全。

如果 MCU 控制风扇、加热器或 SSR，您仍然需要：

  • 正确的电源开关；
  • 适当的电源；
  • 电流的电线和端子；
  • 保险丝；
  • 加热器的独立热保护；
  • 安全外壳；
  • 如果通信丢失或主机关闭时的行为验证。

如果主机与 MCU 失去通信，Klipper 可以关闭系统，但这不能替代硬件保护。加热器的设计应该使单个固件、传感器、SSR 或通信故障不会导致不安全模式。

选择 MCU 前要检查的内容

购买 MCU 的电路板之前，检查：

  • 微控制器是否受 Klipper 支持；
  • 电路板是否有现成的配置或说明；
  • 需要的通信方法：USB、UART 或 CAN；
  • 电路板如何闪存；
  • 是否有足够的 GPIO、ADC、PWM、I2C、SPI、UART；
  • 哪些引脚真正暴露；
  • GPIO 逻辑：通常 3.3V；
  • 负载是否需要驱动程序/MOSFET/SSR；
  • 是否有电源和引脚图的文档；
  • MCU 通信丢失时会发生什么。

对于第一个附加 MCU，通常更容易选择 RP2040/Pico 或具有清晰说明的众所周知的 STM32 板。

常见错误

  • 认为 MCU 包含所有 Klipper 的逻辑；
  • 混淆主机和 MCU；
  • 添加 [mcu chamber] 但随后指定不带 chamber: 前缀的引脚；
  • 从别人的引脚图中获取引脚；
  • 在 make menuconfig 中闪新错误的微控制器类型；
  • 不检查引导加载程序偏移和板闪新方法；
  • 使用不稳定的 USB 电缆；
  • 将 5V 连接到 3.3V 输入；
  • 从 GPIO 为负载供电；
  • 认为软件关闭取代保险丝和热保险丝。

要点

在 Klipper 中，MCU 是物理控制引脚的板，主机计划并协调工作。附加 MCU 允许您扩展系统并将外围设备移动到更靠近设备的位置。

对于类似 iDryer 的任务，这对于风扇、传感器、过滤器、背光、按钮和一些执行器很方便。但电源部分和加热器安全仍然是单独的硬件任务。

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