串口识别、零点调整、抬/落笔调整、发送指令、命令执行反馈等功能，可实现点阵图、矢量图及字体的绘制。
1 结构设计
写字画图机主体结构由支撑架、XY轴、夹笔头、动力部分组成，其中支撑架由几块激光切割的5mm亚克力板组合并用一根20mm×20mm的铝合金型材固定，XY轴各用2根Φ8mm的不锈钢光轴和光轴套构成，
动力部分由2个42步进电机、同步齿轮、齿带以及带法兰轴承构成，夹笔头由3个3D打印件和2根Φ6mm的短不锈钢光轴构成。所需主要零部件见表1。
表1 写字画图机主要零部件
名称规格型号数量
Arduino UNO R31
步进电机422
同步带轮0.5模数2
齿带0.5模数/6mm2m
电机驱动模块A49882
CNC板V11
直流电源12V/2A1
铝合金型材20*20*420mm1
光轴Φ8*410mm4
光轴套Φ8/Φ15*24mm8
国庆黑板报资料带法兰轴承Φ1610
舵机9G1
亚克力板(5mm)画图激光切割1批
3D打印件自制4
螺丝、垫片、电线1批首先采用solidworks软件设计亚克力板支撑架的形状和组合方法，尤其注意亚克力板相互装配时留出螺丝孔和安装螺母的槽，并对其他所有零件建模并装配，以确定写字机的整体形状、尺寸和组装形式。设计的亚克力板支撑架组件导出DXF文件进行激光切割，按照设计组装。
写字画图机的硬件部分主要由ArduinoUNO板、CNC 板、2个A4988步进电机驱动模块、2个42步进电机、1印件上下活动实现抬落笔动作。整体结构如图1所示。
图1 solidworks设计的写字画图机结构
2 下位机参数优化
写字画图机XY轴的移动由步进电机和0.5模数的齿带组合，实现对行走距离的精确控制，UNO控制器输出控制脉冲使步进电机动作，需要计算输出脉冲即可实现对距离的精确控制。下位机程序采用开源的GRBL1.1f固件，烧录进ArduinoUNO后需要设置各项参数，以适应写字画图的特点。GRBL是专用于Arduino的高性能控制系统，由C编写并优化，利用了AVR 芯片的每一个灵巧特性来实现精确时序和异步控制。它可以保持超过30kHz的稳定、无偏差的控制脉冲，包含了直线插补、圆弧插补、螺旋插补算法，接受标准G代码可实现平稳的加速和无冲击的转弯。GRBL 用在不同的结构中需要对参数进行调整，UNO板连接电脑USB口，用串口软件输入GRBL命令参数，不断调整优化，主要参数设置如下：
$0 = 10 (最小步进脉冲长度, 微秒)
$1 = 25 (步进电机休闲等待时间, 毫秒)
$2 = 0 (反转步进脉冲)
$3 = 0 (反转步进方向)
$100 = 80 (X轴每毫米需要多少步, 步/毫米)
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我最大的遗憾是你的遗憾与我有关实验研究
$101 = 80 (Y 轴每毫米需要多少步, 步/毫米)$110 = 10000 (X 轴最大速度, 毫米/分钟)$111 = 10000 (Y 轴最大速度, 毫米/分钟)$120 = 500 (X 轴加速度, 毫米/每秒的平方)$121 = 500 (Y 轴加速度, 毫米/每秒的平方)
泡萝卜条$130 = 200 (X 轴最大运行范围, 毫米)3 上位机程序设计
雕刻机及绘图机的上位机软件一般采用GRBL
梦见狗咬Controller 或功能更多的商业软件，为了更好地适应本设计
的写字画图机，采用python 编程开发上位机软件，程序框图如图2所示。上位机软件设计具有串口识别、零点调整、抬/落笔调整、Gcode 生成调用、发送指令、命令反馈等功能。
下位机GRBL 固件本身带有直线插补、圆弧插补等算法，上
位机直接发送Gcode 指令即可实现各种画图动作的执行。 图2 上位机程序框图
上位机python 程序采用tkinter GUI 图形库制作程序
界面（图3），包括串口识别连接、文件生成发送、手动控
制与调整、数据接收与反馈四部分。ArdunoUNO 通过USB 线连接电脑后，程序自动识别串口，并可以手动关闭和打开串口，使上下位机建立通讯；Gcode 文件生成可以采用多种方法，有些软件如Inkscape 可以直接生成Gcode，复杂图形可先用Photoshop 简化处理，并用其他软件如Adobe Illustrator 转为svg 矢量图，本程序调用svg/gcode 转换模块可以将图形或字体转为Gcode，通过串口发送到下位
机；在G 代码执行之前，需要手动调整写字画图机笔的位置，以免超出XY 轴可移动范围，抬落笔按钮设置是为了安放笔及调整高度；数据接收与反馈部分可以监控G 代码执行情况，
出现错误可及时发现。
图3 上位机界面
4 运行测试
写字画图机安装完成、上位机编译通过后，用USB 线
连接电脑和写字画图机的UNO 板，12V 直流电源接入CNC 板，进行运行测试。首先手动控制舵机动作，测试抬落笔方
向和灵活性；手动控制XY 轴机运动，测量程序赋值量和实际移动量是否相符。然后进行画图准备。
测试采用一张复杂彩图片（图4-a），首先经过
photoshop 处理成灰度素描画（图4-b），然后用Adobe Illustrator 描摹线稿转为矢量图，调整阈值可得到不同清晰
度的图片，存为svg 文件（图4-c）；打开上位机软件，用“生成Gcode”到该svg 文件并转为Gcode。写字画图机前放一张A4纸，连接串口，手动调整笔的零点到纸的左上角，在夹笔头安放签字笔，发送文件，开始画图（图4-d）。文
字复制到AI 生成svg 同样操作可以用写字画图机写出来。5 结论
用solidworks 建模设计了写字画图机整体结构，确定
了支撑架及各零件的形状尺寸，制作了CoreXY 结构的写字画图机。以Arduino UNO 为主控板，GRBL 固件为下位机程序，采用python 语言编程开发了上位机软件，具有串口
（a）原图片 （b）PS 成素描画 （c）AI 生成svg 矢量图 （d）上位机生成Gcode 并画出图4 写字画图机运行测试
（下转第40页）
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频谱效率与角度差在多个不同的毫米波系统配0 dB。 为了简化说明，我们假设角度扩展是这样的：t r t r φφθθσσσσ===。表明随着角度扩展增加，散射变得更加丰富，
所提出算法的性能降低。 然而，在15°的显着角度差距下，差距仍然低于10％。 对于更合理的5°左右的角度差距，速率差距可以忽
略不计。
图7 频谱效率与量化比特每个角度不同的毫米波系统配置，所有的4RF
RF t
r N N ==，信噪比为0 dB 的方位角和仰角扩展角为7.5°的
通道。 为了简化说明，我们假设N N φθ=和在s N = 1的情况下4位的基带预编码器码本和在s N = 2情况下的6位。 该图表明，对于所考虑的阵列尺寸，每个角度3位往往足以实现近乎完美的性能。最后，我们研究了在发射机中没有信道状态信息的系统
中所提出的预编码策略的性能。我们假设接收机使用4位
和6位来量化F BB ，如果s N = 1和s N = 2，并按章节VB 所
述构造码本。 接收器使用可变数量的比特来量化FRF 中使
可以获得更好的频谱效率。 并且其性能接近全数字预编码方案的频谱效率。 此外，我们还从两个方面分析了不同方案对能效的影响：信噪比和射频链数。最后，我们给出了空间稀疏毫米波处理性能的数值结果，并表明它允许系统接近
它们对频谱效率的理论极限。
参考文献
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＊ [4]3GPP TR 38.901. “Study on channel model for frequencies
from 0.5 to 100 GHz (Release 14).” 3rd Generation Partnersh ip Project; Technical Specification Group Radio Access Netwo rk; v14.2.0 (2017-09). URL:
＊ [5] El Ayach, Oma, et al. “Spatially Sparse Precoding in Milli meter Wave MIMO Systems.” IEEE Transactions on Wireless
Communications, Vol. 13, No. 3, March 2014, pp. 1499-1513.＊ [6] 余毅. 基于MMSE 准则的毫米波MIMO 干扰系统混合波束形
成算法研究[D].西安电子科技大学,2017.识别连接、Gcode 文件生成发送、手动控制与调整、数据接收与反馈等功能，将图片、矢量图转换为gcode 代码后通过串口发送到下位机，GRBL 解释G 代码并驱动2个步进
电机和舵机执行动作，实现了灵活的写字和画图。
参考文献
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＊ [2]伍文进，徐中云，严帅.基于Arduino 两轴激光雕刻机的研究与实现[J].机床与液压,2018,46(8):15-18考公务员需要什么书
＊ [3]肖昆全，高生，张翠霞.仿手写字体机器人的设计[J].电子世界,2018(1):201-203
＊ [4]陈镔，张兴远.基于Arduino 的绘图机器人[J].电脑知识与技术,2016,12(17):155-159（上接第87页）
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