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宽幅全彩喷绘机高精度喷绘技术的研究 摘要 宽幅全彩喷绘机是广告，地理信息系统，高质量影像输出的关键 性设备。这一领域有着广泛的市场潜力和巨大的经济效应。国外知名 打印机公司都已推出自己的宽幅喷绘机产品。近几年对这一市场的争 夺也越来越激烈。宽幅喷绘机是机电一体化的高科技产品。其本身就 包括了计算机技术、数字控制技术、微粒爆发喷墨技术( m i e r o b u r s t ) 、 通讯接口技术和图形图像处理技术等当今最新的科研成果。是多种先 进技术相互融合的集中体现。高精度喷绘技术对喷绘机达到高质量的 喷绘效果来说是十分关键的。因此，对喷绘机的高精度喷绘技术进行 研究有着重要的实用意义和探索价值。本文即是从以下几部分来介绍 和分析高精度喷绘技术：喷绘机运动控制系统，打印头控制系统和两 者之间的连接。主要内容包括： 1 喷绘机控制系统分析：从喷绘机控制系统的软，硬件结构分析 了喷绘机控制系统的功能，结构。各部分之间的关系和关键性技术； 2 运动控制系统的研究：喷绘机运动控制直接影响到喷绘机的打 印精度，速度。是喷绘机控制系统的主要任务之一。喷绘机运动控制 系统是以d s p 为核心来设计的。论文对d s p 数字控制系统的结构，特 点以及本系统的具体硬件结构进行了介绍。论文对运动控制系统的要 求，实现方法和结果进行了详细讨论； 3 打印头控制系统的研究：打印头是喷绘机的关键部件，它接收 打印数据，并把打印数据转化为喷嘴的喷墨动作。对打印头的控制是 喷绘机研制成败的关键所在，文中对打印头的工作过程，关键时序等 进行了详细讨论。打印头控制系统是以f p g a 为核心进行设计的数字 控制系统。f p g a 的应用达到了打印头控制系统的两个关键要求：打 印数据缓存，打印时序生成。打印头是按位置信息进行打印工作的。 这种工作方式将减轻对运动控制系统的要求。文中对这一工作方式的 优点进行了说明。打印头的工作依赖于其控制时序的正确与否。文中 对打印头的配置数据加载，正常打印操作两部分时序进行了详细的说 明。并比较了实验得到的时序和技术文档中的时序。通过打印实验验 证了生成时序的正确性。 文中以打印一个喷嘴宽度的直线和锯齿波两个图形来对高精度 喷绘技术进行验证。实验的结果表明运动控制系统和打印头控制系统 实施的正确性，这两项技术是实现高精度打印的基础。 关键词：宽幅全彩喷绘机，d s p ，f p g a ，时序 h r e s e a r c ho nt h eh i g hp r e c i s l 0 np r i n t i n g t e c h n o l o g yo fp l o t t e r a b s t r a c t d i g i t a lp l o t t e r i st h e k e ye q u i p m e n t i na d v e r t i s e m e n t ，g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) a n dg r a p h i c sp r i n t i n g t h ep l o t t e r m a r k e ti si nl a r g es c a l ea n df u l lo fp o t e n t i a l m a n yw e l l k n o w np r i n t e r c o m p a n i e si nt h ew o r l dh a v et h e i rb r a n dn a m e si n t h i sf i e l d t h e c o m p e t i t i o ni nt h em a r k e ts h a r ei si n c r e a s i n gg r e a t l yi nr e c e n ty e a r s d i g i t a lp l o t t e r i sam e c h a t r o n i c a la n dh i t e c hp r o d u c t t h ek e y t e c h n o l o g yi n c l u d e sc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d i g i t a lc o n t r o l t e c h n o l o g y , m i c r o b u r s t t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a l l o ft h e s ea r et h e n e w e s ta c h i e v e m e n t si ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s ow ec a nf i n dm a n y a p p l i c a t i o n so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nad i g i t a lp l o t t e r h i g hp r e c i s i o n p r i n t i n gt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep r i n t i n gq u a l i t yo fp l o t t e r t h er e s e a r c hw o r ko nt h i s f i e l di sv e r yu s e f u la n dc h a l l e n g i n g h i g h p r e c i s i o np r i n t i n gt e c h n o l o g yi n c l u d e sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，p r i n t h e a d c o n t r o ls y s t e ma n dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h e m t h ef o l l o w i n gi sw h a tt h e t h e s i si sc o v e r i n g ： 1 d i g i t a lp l o t t e rc o n t r o ls y s t e ma n a l y s i s ：a n a l y s et h es t r u c t u r e ， f u n c t i o na n dr e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t si nb o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ek e yp o i n t si ne v e r yp a r t ； i i i 2 s t u d yo nt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ：m o t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h e d i g i t a lp l o t t e r i sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep r e c i s i o na n ds p e e do f p r i n t i n g a l s om o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa ne s s e n t i a ld u t yo fp l o t t e r c o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do nd s et h es t r u c t u r ea n d f e a t u r eo fd s pc o n t r o l s y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o n h e r ea r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h er e q u i r e m e n t st om o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n d t h ei m p l e m e n tm e t h o da r et h ek e yp o i n t si nt h i sp a r t ； 3 s t u d yo np r i n t h e a dc o n t r o ls y s t e m ：p r i n t h e a di s ak e yp a r ti n p l o t t e r p r i n t h e a dr e c e i v e st h ep r i n td a t aa n dd o e st h ep r i n t i n g t h e s u c c e s so ft h ed e s i g no fp l o t t e rd e p e n d so nt h ep r i n t h e a dc o n t r o l s y s t e m t h ew o r k i n gp r o c e s s ，i m p o r t a n tt i m i n gd i a g r a ma r e s t u d i e di nd e t a i la n dp a s s e dt h et e s t p r i n t h e a dc o n t r o ls y s t e mi sa d i g i t a ls y s t e mb a s e do nf p g a f p g am a k e s t h et w o r e q u i r e m e n t s o fp r i n t h e a dc o n t r o ls y s t e m ：p r i n t i n gd a t ab u f f e r i n ga n dt i m i n g g e n e r a t i o na v a i l a b l eh e r e p r i n t h e a dt a k e se n c o d e ro u t p u ts i g n a l s a si t sw o r k i n gc o n d i t i o n ，w h i c hd e c r e a s e st h er e q u i r e m e n t st o m o t i o nc o n t r 0 1 t h i sw i l lb em e n t i o n e di nt h i st h e s i s n o r m a l w o r k i n go fp r i n t h e a dn e e d st h es u c c e s so ft i m i n gg e n e r a t i o n t h e t i m i n go fc o n f i g u r a t i o na n dp r i n t i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l t w o t e s t s ，o n e d o tl i n ep r i n t i n gt e s ta n ds a wp r i n t i n gt e s ts h o wt h e s u c c e s so ft i m i n gg e n e r a t i o n m o t i o nc o n t r o la n dp r i n t h e a dc o n t r o l a r et h eb a s eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：p l o t t e r ，d s p ，f p g a ，t i m i n g v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：惑咙屯 日期：2 - et 7 弓年工月 留日 t - 海交通大学海父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：廒魄乞 指导教师签名： e t 期：乃零乡年2 - 月2 罗e t日期：刃妒多年2 p 海交通大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 宽幅全彩喷绘机的发展现状和课题背景 近些年来，越来越多的打印精美的大幅广告出现在人们的视野当中。而打印 出这些宽幅的广告画需要有专业的图形，图像输出设备一一宽幅全彩喷绘机。宽 幅全彩喷绘机的迅速发展也推动了相关应用行业的发展。对于提供高品质影像输 出、彩色渲染图输出、展览广告设计、地理信息系统( g i s ) 圈输出、大幅面海报 打印、户外看板制作等业务的大幅面彩色输出中心来说，只有拥有具备打印质量 精美、操作灵活、价格低廉、出图速度快、打印模式多样以及提供户内、户外两 种大容量供墨方式的喷墨打印输出设备，才能如虎添翼，接洽高精度的输出业务， 在馓烈的市场竞争中立于不败之地。 近年来，市场卜已出现丁不少品牌的大幅面喷绘机，例如安凯公司的n o v a j e t 8 5 0 、惠普公司的h pd e s i g n j e t5 0 0 0 系列大幅面喷绘机、y a s e l a n 的 y s l d 3 5 0 0 e 、n u rs a l s a 系列以及e p s o ns t y l u s p r o1 0 0 0 0 。目前，国内 也出现了些具有一定开发实力的公司。图1 1 所示足上海雅色兰公司牛产的 闰卜】y s i 一1 2 6 0 0 型大型喷绘机外观图 f i9 1 1 y s l - d 2 60 0p l o t t e r y s l d 2 6 0 0 型大型喷绘机。 该机的技术参数如下： 适用范围 喷绘幅宽 喷头型式 喷头型号 喷头数量 户外太幅面的广告宣传画，舞台背景，后打光展幅，车身广 告等；户内小幅装饰画、海报、商品陈列推广，橱窗展示等 3 4 米，长度不限 微压电式 s p e c t r a n o v a2 5 6 8 0 2 5 6 孔x 8 个 上海交通大学硕士学位论文 分辨率：3 6 0 d p i 喷绘速度：高速模式1 2 3 平方米小时；标准模式8 0 平方米小时，精细模 式4 5 平方米小时 本论文的任务是对宽幅全彩喷绘机高精度喷绘技术进行研究。宽幅全彩喷绘 机是典型的机电一体化高科技产品，它集成了计算机技术、数字控制技术、微粒 爆发喷墨技术( m i c r o b u r s t ) 、通讯接口技术和图形图像处理技术等当今最新的科 技成果。高精度喷绘技术是宽幅彩色喷绘机的核心技术之一。 1 2 宽幅全彩喷绘机高精度喷绘技术 宽幅全彩喷绘机要求打印幅度宽，打印速度高，打印图象文件的数据传输量 大，连续工作时间长，其研制主要包含以下关键技术： 1 计算机技术：宽幅全彩喷绘机的控制核心通常是一台高性能的计算机。 喷绘机整机的工作均由主控计算机来控制。因此，计算机软，硬件的设 计是十分重要的； 2 数字控制技术：为了保证打印质量。喷绘机的运动控制系统打印头控 制系统等都采用了数字控制技术来实现。它们以电机控制专用集成电路， 大规模可编程逻辑器件的应用为代表； 3 微粒爆发喷墨技术( m i c r o b u r s t ) 喷绘机是喷墨打印机的一种。打印头是 将墨滴喷射到打印介质上来形成图案的，对喷墨墨滴的控制是该领域研 究的重点； 4 。通讯接口技术：喷绘机工作时要保证大流量打印数据传输的正确，通畅。 通讯接口成为喷绘机的一项重要技术指标； 5 图形，图像处理技术：输出图形的质量对喷绘机接收打印图形的质量了 出了要求。图形，图像处理的方法要做到打印质量，打印速度兼顾； 高精度喷绘技术是指实现控制打印头按一定精度要求进行工作的技术。包括 运动控制技术，打印头控制技术和运动控制和打印头控制的连接。高精度喷绘技 术包含多项喷绘机研制的关键性技术如计算机技术，数字控制技术，通讯技术等。 1 3 本论文的主要工作 课题组的任务是研制以p c 机为控制核心的宽幅全彩喷绘机。本论文的主要 工作是对喷绘机的高精度喷绘技术进行分析和讨论。包括运动控制系统，打印头 控制系统以及两者的连接技术。文章的主要内容如下： 1 宽幅全彩喷绘机控制系统的结构； 2 上海交通大学硕士学位论文 2 宽幅全彩喷绘机运动控制系统的实现； 3 宽幅全彩喷绘机打印头控制系统的实现： 上海交通大学硕士学位论立 第二章宽幅全彩喷绘机工作原理及系统组成 2 1 宽幅全彩喷绘机工作原理 二米宽宽幅全彩喷绘机的主要要求如下： 适用范围：户外大幅面的广告宣传画，舞台背景，后打光展幅，车身广 告等；户内小幅装饰画、海报、商品陈列推广，橱窗展示等； 喷绘幅宽：34 米，长度不限； 命令语言r t l ； 喷头数量：8 ( 四色8 喷头) ； 分辨率：3 0 0 d p i ( 可用3 0 0 d p i 以下) ： 喷绘速度：高精度速度2 8 平方米，j 、时，标准速度4 7 平方米孙时； 颜色：1 6 7 0 万种； 油墨：进口专用油性油墨，防水，防紫外，户外二年不褪色； 接受文件：t i f f ( r g b & c m y k ) ，b m p ，e p s ，p o s t s c r i p t ，j p e g ： 打印模式：单向，双向； 喷绘机的结构示意图见图2 一l 所示。整机包括： 吲2 1 打印机结构示意罔 flb2 - 1p l o t t e rs tr l l c t u r e 机架：提供喷绘操作工作支撑平台，是喷绘机的机械本体； 主机：喷绘机控制核心，由一台计算机担任，是系统的控制中心， 横向导轨：打印工作时给字车以支撑，字车在导轨上来回横向运动进行 打印： 字车：内部安装有打印头组件，按照主机的控制横向移动进行打印： 进纸装置：对打印介质( 打印纸) 进行进给操作，保持打印的连续性。 喷绘机的任务是将通过计算机编辑的打印文件按相应的技术指标打印在介 质上，喷绘是一个复杂的工作过程。 22 喷绘机控制系统组成 上海交通大学硕士学位论文 喷绘机控制系统分控制系统硬件和软件两部分来介绍。 2 2 1 喷绘机控制系统硬件结构 图2 2 控制系统硬件组成框图 fi9 2 2 h a r d w a r es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 控制系统的硬件结构见图2 - - 9 所示。硬件是以一台p c 机为中心设计的。包 括一块插在主机p c i 总线插槽上的p c i 控制卡和一块安装在字车上随字车来回 做横向运动的字车板。以下将详细介绍这两块电路板。 p c i 控制卡：p c i 控制卡是p c 机作为喷绘机控制中心的扩充。 其主要功能有： 接受打印数据：打印数据通过主机p c i 总线向硬件进行下传。为此p c i 控制 卡要能实现p c i 总线的通讯协议。可靠，高效地接收打印数据。卡上采用了 p c i 桥芯片来实现p c i 协议； 5 上海交通大学硕士学位论文 打印数据缓存：打印数据从p c i 总线获得后将按要求送往打印头。从数据的 接收，发送来看。数据的传输带宽，流量相差是很大的。所以要建立打印数 据缓冲区以匹配两边的通讯。p c i 控制卡上有一块f p g a 来建立这样的数据 缓冲区； 打印时序生成：向打印头发送的打印数据是串行发送的，而且必须按照打印 头的技术要求生成打印时序，有严格时序要求的相关打印信号一并送往打印 头。此项功能也是由卡上的f p g a 来完成的； 运动控制：打印过程中字车需要来回横向移动，进纸操作要求能沿纵向进行 进纸退纸操作。这些是喷绘机运动系统的任务。而且运动控制系统要和打 印数据的传输建立联系。卡上的d s p 是运动控制系统的核心。它完成两个电 机的控制和相关传感器信号的采集，处理； 接口：p c i 卡生成的打印数据要传送到字车板，最终再送到打印头。因此， p c i 卡上设置了用于数据传输的接口电路。它由8 位总线驱动器构成。由于 信号要传送的距离超过两米，所以接口的作用是很重要的，接口保证了数据 传输的可靠性； 字车板：字车板是直接连接打印头的硬件。 其主要功能有： 打印头配置数据加载( c o n f i g u r a t i o n ) ：打印头在工作前需要进行1 0 2 0 个配置 数据的加载，我们称这一过程为打印头的c o n f i g u r a t i o n 。字车板上的c p l d 完成了c o n f i g u r a t i o n 的过程。加载数据，加载时序均由c p l d 实现； 传输打印数据：打印数据从p c i 卡下传到字车板上后，直接进入c p l d ，然 后由c p l d 送往打印头，在c p l d 内部为打印数据建立了通信通道； 打印头温度补偿：打印头是靠压电效应来工作的，工作时需要正4 0 v 左右的 电压给压电驱动器供电。打印头温度变化，需要对打印头进行该供电电压的 调整。这一功能由板上的d s p 芯片来完成； 接口：接收打印数据，向打印头发送打印数据均通过了接口电路。保证了打 印信号的正确传输； 此外，系统硬件还包括电机驱动板，可调电源板等。 2 2 2 喷绘机控制系统软件结构 6 上海交通大学硕士学位论文 囊 入机界面 冀 嗣 凰形文件解读 雾 蕾 打印数据重撵 霸i l i ! 冀 数据交互 ， 薯 氅晤二二跷矗谢舷。渤一彳i 渊it ， l ! 芋葑面数据、9 熏。，le 鉴孝孚馈和中啼警数据g 彳 应用层 霞- - 飞多? 一? 爱j 置o 互_ 誓莓擘万一 4 。弹糯 软件i j ，。、；一统层： 弗巩詹 斛l c 疋i 。，o 矜。，7 ，。二j 图2 3 控制系统软件结构 f i 9 2 3 s o r w a r cs t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 控制系统的软件主要介绍在主控计算机上运行的软件的结构和功能。软件的 结构见图2 3 所示，可分为系统层，应用层。系统层主要是指p c i 控制卡的驱 动程序。这是对系统硬件的第一层扩充。并为应用层提供软件接口。应用层主要 完成和用户进行交互，接收待打印图形，与驱动程序通讯等工作。 控制系统软件包括： 人机界面：是操作者操作喷绘机的平台。负责接收操作者命令，反馈系统状 态信息； 图形文件解读：要进行打印的是以图形格式保存的打印文件，而向下传送的 是具体的打印数据。因此，需要对图形文件进行解析，使数据与打印头对应； 打印数据重排：按颜色把一幅要打印的图形数据分配到4 个打印不同颜色的 打印头上。需要对数据进行重排，建立合理的数据结构； 数据交互：应用程序不能直接操纵硬件，需要驱动程序作为接口。驱动程序 和应用程序建立了数据和命令通道，用来下传打印控制命令，数据和返回系 统工作状态。 7 上海交通大学硕士学位论文 2 3 ，j 、结 本章介绍了喷绘机控制系统的构成。从控制系统硬件，软件的角度进行 了详细的分析和讨论。主要包括各模块的功能和结构以及它们之间的接口。 喷绘机控制系统的硬件采用了p c i 控制卡和字车板相连接的结构。一方 面充分利用了p c i 总线的传输速率高，流量大的特点。另一方面p c i 控制卡 上完成了喷绘的主要功能，这样就能发挥计算机强大的处理功能。为高性能 喷绘机提出了一个有效的实施方案。字车板上完成了打印头的配置，温度补 偿等工作，这些工作不需要计算机的干预，使字车成为相对独立的一部分。 这样的设计对今后采用不同通讯接口的喷绘机来说都是有参考价值和实用 意义的。 喷绘机控制系统的软件设计分为系统级和应用级。控制软件指挥着整个 喷绘机的工作。系统级为p c i 控制卡进行了第一层扩充，为应用层提供了数 据交互的接口。应用层按照层次化设计的思想，为用户提供了操作友好的操 作界面。图形处理，数据重排等操作在p c 机上完成。p c 机强大的处理功能 提高了喷绘机整机的技术水平。为喷绘机控制软件的设计提出了一条可行的 思路。 8 字 上海交通大学硕士学位论文 第三章运动控制系统 3 1 运动控制系统的任务 运动控制系统由字车直流电机控制和迸纸步进电机控制组成。字车运动系统 所完成的功能是根据被打印图像的要求，在主控计算机的控制下左右( 横向) 移 动打印头组件。进纸运动完成的动作是按照主控计算机的指令对打印纸张进行进 给。两个运动的关系见图3 1 所示。字车上安装的是打印头组( 1 拌一4 撑打印头) 。 n u 口口口 打印头组( 1 # 一4 # 打印头) 纵 平面 图3 1 打印机运动系统示意图 f i 9 3 1 m o t i o ns y s t e mo fp l o t t e r 字车运动的方向和进纸方向是图3 1 中所示的横向和纵向。 打印工作时系统对运动控制提出了以下要求： 1 字车运行平稳，尽量抑制运动过程中的抖动。因为打印头是按位置进行 打点的，所以字车的平稳运行，将有利于建立起打印头的控制时序； 2 能根据打印要求和字车运动当前状态来下达命令控制打印数据流。以此 实现控制通道和数据通道的连接。p c i 控制卡上的d s p 完成系统的主要控制功 能，f p g a 则负责数据接受缓存，产生时序，数据下传。因此d s p 和f p g a 的 接口是实现控制通道和数据通道相连接的途径。运动控制需能控制打印数据流； 3 字车运动系统所能达到的运动精度在很大程度上决定了喷绘机的横向分 辨率。而且，字车运动系统的横向( 左右) 运动速度还是决定喷绘机的打印速度 的关键因素之一； 4 纵向进纸系统负责控制媒介( 如纸张) 的进给。它的运动精度是直接影 响喷绘机的纵向分辨率的决定性因素。因此，要求对它实现较高精度的运动控制； 5 与字车运动系统不同的是，由于很难获得纸张进给的位置信息，也就是 说不能获得反馈信息，所以该运动系统应是一个开环运动控制系统。所以为了实 现高精度的控制，马达采用了步进电机； 9 上海交通大学硕士学位论文 3 2 运动控制系统的结构 运动控制的结构组成如图3 2 所示。运动控制系统的核心是一块d s p 芯片。 d s p 通过r s 2 3 2 通讯接口从主控计算机得到运动控制指令。d s p 根据这些运动 图3 2 运动控制系统结构框图 f i 9 3 2m o ti 0 1 1e o n t r o ls y st e mst r u c t u r e 图3 3 d s p 工作流程图 f i 9 3 。3d s po p e r a ti o nf l o w 控制指令来完成相应的操作。这些操作也正是以上运动控制系统所必须满足的要 求。运动控制指令包括； 1 0 上海交通大学硕士学位论文 系统工作使能； 进行打印工作前的原点位置调整，纸宽测量； 打印模式设定：该行字车行进脉冲数，打印p a s s 数，打印方向； 字车直流电机驱动器接受d s p 的控制指令驱动电机的运动，电机通过同步 带来带动字车的运动，字车架在水平铺设的导轨上，在导轨的支撑下来回移动。 进纸步迸电机通过减速皮带来带动进纸辊子的转动以达到进纸的目的。d s p 的工 作流程见图3 3 所示。 打印工作时，d s p 根据接受到的控制指令执行相应的操作。 d s p 系统初始化：d s p 是控制通道的核心。在打印工作开始之前，d s p 需对 自身进行初始化操作。括：d s p 芯片工作频率设定；串口通讯模式设定；外部总 线操作周期设定；特殊功能口设定，如p w m 输出，q e p 捕捉输入，数字量g p i o 设定等；中断设定； 与主控p c 进行通讯连接：d s p 通过r s 2 3 2 与主控计算机进行通讯，以获 得打印控制命令，反馈系统工作状态信息； 纸宽测量：在打印开始前需对打印介质的横向宽度进行测量，之后的打印将 被局限在这个宽度内进行。d s p 采集测纸宽传感器的输出信号来判断纸的边缘。 纸的边界是打印操作的硬边界： 设置原点：每一行的打印操作均以同一起点为标准。这一起点称为打印原点。 当d s p 进行纸宽的测量结束后，便在d s p 系统内保存了打印的原点信息。这样 经过每行的打印才能形成图形； 正常打印：当系统认为准备就绪后便可进行打印了。d s p 执行打印时的运动 控制任务，同时向f p g a 发送打印控制命令。以控制打印数据流的模式； 打印工作时d s p 向f p g a 发送的信息有： 打印p a s s 数； 打印方向； 打印使能信号； 另一方面d s p 还可以通过对f p g a 进行读操作来获取以上写操作的的结果， 以验证写操作的正确与否。 通过以上三方面的控制和命令状态的读取。实现控制f p g a 形成的打印数据 流的目的和控制通道和数据通道的连接。 3 2 1 d s p 芯片简介 这里采用了d s p 芯片来完成运动控制的任务。d s p 是数字信号处理器( d 磷t a l 上海交通大学硕士学位论文 s i g n a lp r o c e s s o r ) 的英文缩写，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算技术 等学科的发展而产生的，是体现这三个学科综合科研成果的新器件。由于它特殊 的结构设汁，可以把数字信号处理中的一些理论和算法实时实现，并逐步进入控 制器市场，因而在计算机应用领域中得到了广泛的使用。 d s p 主要以数字的方式来处理模拟信号，它通常是收入一系列信号值，对它 们进行过滤或做一系列操作，例如建立一支待过滤的信号值队列或者对输入值进 行一些转换。d s p 通常是将常数和值进行加法或乘法运算后，先形成一系列串行 条目，再逐条地予以累加，它担当了一个快速倍增累加器( m a c ) 的作用，并且 常常在一个周期中执行多次m a c 指令。 为了减少在建立串行队列时的额外消耗，d s p 有专门的硬件支持，安排地址 提取操作数和建立起一些条件，用以判断是继续计算队列里的元素还是已经到了 循环的末尾。 d s p 的主要特点可以概括如下： 1 哈佛结构 2 用管道式设计加快执行速度 3 在每一时钟周期中执行多个操作 4 支持复杂的d s p 编址 5 特殊的d s p 指令 6 面向寄存器和累加器 7 支持前、后台处理 8 拥有简便的单片内存和内存接口 世界上第一片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，但最成功的d s p 芯片当数美国德克萨斯仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s 简称t i ) 的t m s 3 2 0 系列。 除此之外，美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s 简称a d ) 推出的a d s 2 1 x x 系 列，m o t o r o l a 公司的d s p 产品m c 5 6 x x 系列。目前，从d s p 市场份额来看，t i 公司的d s p 约占市场份额的5 0 ，是世界上最大的d s p 生产厂家。表3 1 是 各家d s p 生产厂家的d s p 产品列表。 表3 - 1d s p 产品列表 二公司：d s p 芯片 推出时间( 年) m a c 周期定点位数浮点位数 ( n s ) a m i$ 2 8 l l1 9 7 83 0 01 2 1 6 n e c u p d 7 7 2 0 1 9 8 0 2 5 01 6 3 2 u p d 7 7 2 3 0 1 9 8 5。 1 5 0 3 2 1 2 海交通大学顾学位论立 + 注 t 表中浮点位敦一栏中束标往机数的说* 系列d s pr 有定点系列。其中3 2 1 4 0 表示d s p 加往 是3 2 位，乘法4 0 位。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 d s p 一心片是t i 推出的用于马达控制，数宁控制的性能非常 优秀的芯片。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 属于1 ic 2 0 0 0 系列。该系列的d s p 专为马达控制，数字控 制而设计。这一系列包括多款芯片，它们分别有自己的应用场合。见图3 4 ： 图3 4c 20 0 0 系列d s p 产品发展过程 f i 9 3 4c 20 0 0d s pp r o d u c td o v e l o p m e n tp r o c e s s 我们这里选择的是t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 芯片。它主要应用于： 上海交通大学硕士学位论文 工业驱动； 工厂自动化； u p s 电源； 功率控制自动化； 以下简要介绍一下t m s 3 2 0 c 2 4 0 的主要性能： h i g h - p e r f o r m a n c es t a t i cc m o st e c h n o l o g y 3 3 - n si n s t r u c t i o nc y c l et i m e ( 3 0m h z ) 3 0 m i p sp e r f o r m a n c e l o w - p o w e r3 3 - vd e s i g n b a s e do nt m s 3 2 0 c 2 x xd s pc p uc o r e o n - c h i pm e m o r y u pt o3 2 kw o r d sx1 6b i t so ff l a s h e e p r o m1 4s e c t o r s ) u pt o2 5 kw o r d sx 16b i t so fd a t a p r o g r a mr a m 5 4 4w o r d so fd u a l - a c c e s sr a m u pt o2 kw o r d so fs i n g l e - a c c e s sr a m 芯片内部资源有： c 2 x xd s p c o r e o nc h i pd a r a m ，s r a m ，f l a s h e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e e v e n tm a n a g e ra ，b p l l s c i ，s p i ，c a n g p i o ( g e n e r a lp u r p o s ed i g i t a li o ) w a t c h d o g 1 0 一b i ta d c 从芯片的硬件结构上可以看出d s p 对电机控制有很好的硬件支持。d s p 可以 很方便地实施脉宽调制，矢量控制，死区控制等。非常适合交流，直流电机的控 制。 1 4 上海交通大学硕士学位论文 3 2 2 d s p 最小系统 d s p 最小系统主要讨论d s p 芯片的存储配置，运行模式。这部分是设计基于 g 骂 j d s p t s r a m a b u sc： a g c b u s l l r t e f r l o r yn t a p $ - l f 2 4 0 7 图3 5 d s p 最小系统结构框图 f i 9 3 5 d s ps y s t e r n f i _ a s l 4s e c t o r0e 4 k 期 细r f 纠自曾口墨( 0 0 0 0 - 0 0 3 p h j r 潮e s e r 蛐v e 缨翁燃 f i k s s e c t o r1c 1 2 k f 毛a s hs e c t o r2 1 2 k ) f l a s hs e c t o r3 4 k ， s a r a m 钗) ，i n t e r n , , 出妒o n = 1 ， ， f - 埘 e n a l ( p o n = o ) e ，t r _ 、一r e 钧r v e a t c h f ： ， 0r x t e m 融( c n f = 铆 o n - c h i pq i 抛i 曜芦( c n i ：= e x t ) r n a l c n f2 口裂勰篙湍 hox”o e x t w n a i ” r 。r 、碚d 、 、 f l a l hc o n t r o lm o d er 喇越舯 。：r e t d r v e d ”? 2 w a t t q 嘲o 轴掉肭rc o n l 9 1 r 叼h 协r o n - c l 噌p l 图3 6 d s p 存储空间映射 fi9 3 6 d s pm e m o r ym a p d s p 控制系统的基础。本系统的d s p 最小系统组成如图3 5 所示，d s p # b 扩了一 块s r a m 作为片外存储器。这是一款3 3 v 接口的高速s r a m ( t a h = 1 2 n s ，t 从一一 访问时间) 容量为：6 4 k 。它可以与3 3 v 的d s p 直接接口。 s r a m 映射为d s p 的p r o g r a ms p a c e 和d a t as p a c e 。存储配置由d s p 的 1 5 上海交通大学硕士学位论文 c m d 瞳3 ( 1 i n k e rc o m m a n df i l e sl i n k ) 决定。c m d 文件用于d s p 代码的定位。由于 d s p 的编译器的编译结果是未定位的，d s p 没有操作系统来定位执行代码，每个 客户设计的d s p 系统的配置也不尽相同，因此需要用户自己定义代码的安装位 置。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 的m e m o r ym a p s 如图3 6 所示。在系统仿真时s r a m 作为数 据存储器和程序存储器，c m d 文件将保证两空间不出现重叠。这时d s p - i - 作在 m c ( m i c r o c o m p u t e r ) 方式。 在系统独立即d s p 能脱开仿真机进行自主运行时，运行结果就是系统正常运 行时的结果。这时s r a m 运行时作为数据存储器，程序存储器是d s p 片内的 f l a s h 。d s p 工作在m p ( m i c r o p r o c e s s o r ) 方式。c m d 文件分为两个区m e m o r y 区和s e c t i o n s 区。 m e m o r y ：分配p r o g r a m 空间和d a t a 空间的起始地址和长度。p a g e 0 ，默认 为程序空间，p a g e l ，默认为数据空间： s e c t i o n s 分配代码段，数据段，堆栈段，c 语言特定段，中断向量段等的所 在空间及其在此空间的所在位置； d s p 和f p g a 的连接 d s p 通过自身的并行总线与f p g a 连接，这时f p g a 对d s p 来说是d s p 夕b 部总 线上的设备。d s p 通过其i o 空间来访问f p g a 。f p g a 内映射若干寄存器来供d s p p r o g r a md a t a 图3 7 d s p 空间分配情况 f i 9 3 - 7 d s pm e m o r yl o c a ti o n 进行读写，以达至u d s p 和f p g a 通讯的目的。d s p 系统的空间映射见图3 7 。 注：图3 7 是d s p 系统仿真时的空间映射图，在系统独立运行时p r o g r a ms p a c e 由 d s p 片内f l a s h 取代，其余空间同上。 3 2 3 运动控制系统前向通道 运动控制系统的前向通道是负责把打印状态的相关信息传送到d s p 进行处 1 6 上海交通大学硕士学位论文 理的环节。这是由一系列传感器来完成的。主要的传感器有： 横向限位开关 喷绘机字车运动的轨道两端安装有限位开关，以此来设置打印过程运动部件 的硬边界。同时也是运动控制的安全边界。限位开关输出是t t l 电平信号。信 号直接由d s p 的g p i o 端口进行采集，进入d s p 进行处理。 线性编码条及探头 一条线性编码条横向铺设在支撑字车运动的导轨上，它提供了字车横向定位 的刻度信息。一探头安装在字车的下面，由这一探头获得方波输出信号。探头的 输出是两相相差9 0 度的方波信号( 见图3 8 ) 。这两路信号同时通向d s p 和 q e p l ln 几n 几一几一n 一厂 q e p 2 几几几厂 八几几厂 q u a d r a t u r ec l k 几兀n 几n 兀兀n n n n n 几n 兀几n 兀n 几n n 几n 几几n 兀兀n 订 d 限一 一厂i i 一 图3 8 编码条输出信号(