（机械电子工程专业论文）高性能喷墨绘图控制器研究.pdf

摘要 摘要 随着c a d 技术的飞速发展，工程绘图机得到了越来越广泛的应用。为了不断 满足楣关工程领域的要求，它正朝着大幅面、高速度、商输出质量和高可靠性的 方向发展。 本文正是在这一背景下对高性能喷墨绘图控制器的若干关键技术展开了深入 研究。首先研究了喷墨头的结构和驱动方式，并根据其特点采用大容量的c y c l o n e 系列可编程逻辑器件，设计了高分辨率、多喷墨头控制器，从而在很大程度上缩 减了电路系统的规模与体积，提高了系统的可靠性；其次，从提高r i p 速度的角 度出发，采用高性能数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 设计了支持多喷墨头 和实时r i p 的高性能喷墨绘图控制器；为了提高其数据存储能力，采用f p g a 设计 了大容量s d r a m 控制器，从而解决了这种d s p 不支持动态r a m 的问题；从提高字 车运行平稳性和可靠性的角度出发，设计了无刷直流电机的p w m 控制电路，首次 在工狸绘图帆上实现了无刷直流电机的数字伺服控制；最后，对所设计的喷墨绘 图控制器进行了实验研究，结果表明：在配置四个喷墨头的2 5 m 绘图机上，其输 出速度可达2 0 0 m z h ，超过了国外同类机型的先进水平。 关键词：喷墨绘图机，d s p ，s d r a m ，可编程逻辑器件，无刷直流电 动机 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc a d t e c h n o l o g y , t h ee n g i n e e r i n gg r a p hp l o t t e r o b t a i n e dt h em o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t ou n c e a s i n g l ym e e tt h en e e di n t h ec o r r e l a t i v ee n g i n e e f i n ga r e a s ，t h e ya r eb e i n gd e v e l o p e dt o w a r d st h eg r e a tw i d t h ， h i g hs p e e d ，h i g ho u t p u tq u a l i t y ，a n dr e d u n d a n tr e l i a b i l i t y t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ei n kj e tp r i n t e rc o n t r o l l e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea r e s t u d i e d f i r s t l y ，t h es t r u c t u r eo ft h ei n k - j e tp r i n th e a da n di t sd r i v em e t h o da r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c ，a l li n k - j e tc o n t r o l l e rt h a ts u p p o r t sm u l t i p 订n th e a d w i t hf i n er e s o l u t i o ni sd e s i g n e dw i t hac y c l o n es e r i e so fp l c ，a sar e s u l t ，t h es c a l ea n d b u l ko ft h ec i r c u i t r ya r er e d u c e da n dt h er e l i a b i l i t yi se n h a n c e dg r e a t l y ；s e c o n d l y ，t o i m p r o v er i pp r o c e s s i n gs p e e d ，ap r i n t i n gc o n t r o l l e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei sd e s i g n e d w i t had i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw h i c hs u p p o r t sm u l t i - p r i n t h e a da n dr e a l t i m er i p t oe x t e n di t sm e m o r y ，as d r a mc o n t r o l l e rb a s e do nf p g ai s d e s i g n e d ，s o l v i n gt h ep r o m e mo fn os u p p o r t i n gs d r a mo p e r a t i o ni nt h i sd s fs y s t e m t oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi t sm o v i n gc a r r i a g e ，ab m s h l e s sd cm o t o ri s a p p l i e da n di t sp w m c o n t r o lc i r c u i ti s d e s i g n e d i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h edj i g i t a l s e r v o c o n t r o lo fb m s h l e s sd cm o t o ri su s e di ni n d u s t r yi n k - j e tp l m t e r f i n a l l y e x p e r i m e n t sa t ef i n i s h e dw i t ha ni n d u s t r yi n k - j e tp l o t t e rw h o s ep r i n t i n gw i d hi s2 5 m e t e r s ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tw i t hf o u rp r i n th e a d s , i t so u t p u ts p e e di sa sf a s ta s 2 0 0 m ，w h i c hs u r p a s s e st h eo v e r s e a ss i m i l a rt y p e k e y w o r d ：i n kj e tp r i n t e r ，d s p , s d r a m ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ， b r u s h l e s sd cm o t o r 创新性声明 y8 5 8 5 3 9 本人卢明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也4 i 包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：茎圭垂兰i ：日期2 塑。! ! 12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技人学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 铒竞名 孑五二 日期丝! ! ：! ：翌 h 期上骂红粤一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 笔式绘图机与喷墨绘图机 随着c a d 技术的飞速发展，其应用领域正在不断拓展。作为计算机系统图形 输出的主要设备，绘图机的应用也越来越广泛。目前的主流绘图机产品主要有笔 式绘图机与喷墨绘图机两大类。笔式绘图机是通过控制绘图笔在纸面上直接接触 运动画出相应的图形线条进行图形输出的，这样的绘图输出方式存在着许多的不 足之处，主要表现在以下几个方面；首先这种绘图机的输出速度较慢，由于只有 通过绘图笔的一笔一笔运动来完成图形的输出，绘图笔的运动速度受到各种因素 的限制，很难达到很高的输出速度；第二，笔式绘图机是接触式的，再加之绘图 过程中纸张是来回运动的，因此对纸张的质量要求较高，纸张质量较差时往往会 出现绘图过程中纸张破损等现象；第三，笔式绘图机很难做到无人值守，自动化 程度较低：第四，对于绘图输出的质量，笔式绘图机与喷墨绘图机也是无法相比 的，笔式绘图机只能输出线条图或矢量图，对于点阵图形的输出则无能为力，而 喷墨绘图机可以输出线条图也可以输出各种复杂的点阵图形，因此输出图形的质 量较高。 喷墨绘图机采用了喷墨技术来实现绘图输出，相对于笔式绘图机喷墨绘图机 具有输出速度快，输出图形质量高，运行成本低，便于维护等优点，因此喷墨绘 图机正在取代笔式绘图机成为绘图机的发展方向。 按照喷墨的原理来划分喷墨绘图机可以划分为“热泡式”喷墨绘图机和“压 电式”喷墨绘图机两类，如h p ( 惠普) 、e n c a d ( 美国安凯) 、c a n o n ( 佳能) 等公司的产品采用的是“热泡式”的喷墨技术，而e p s o n ( 爱普生) 、闩本的大 幅面打印机厂家r o l a n d ( 罗兰) 、m i m a k i ( 御牧) 、m u t o h ( 武藤) 都 采用“压电式”喷墨技术。惠普是热泡式技术的发明者，其通过色彩分层技本有 效地提高打印分辨率，同时在每个墨点上可以实现2 0 0 多种不同颜色，而相应的 j e t e x p r e s s 技术则用于快速喷墨打印。“压电式”打印技术是由e p s o n 所发明的， 采用微压电技术能够实现高精度打印是其突出优点，由于可采用中性油性墨水， 其防水性能减少了覆膜工序，可用于制作高精度户外画面。压电技术主要应用于2 米以上幅宽的大型喷绘机，由于可使用溶剂性墨水，因此可直接喷绘普通灯匆， 故成为户外制作的首选。一般来讲，压电喷墨打印头的使用寿命长， 但是单个喷 头成本高，热泡式喷墨头使用寿命短，但是成本较低；从打印品质上看，压电打 印机打印的图像锐利逼真，热发泡打印机输出的图像更艳丽。 高性能喷墨绘图控制器研究 大幅面喷墨绘图机的应用领域主要包括如下几个方面： 1 ) c a d 应用领域：随着计算机技术的飞速发展，各个领域的计算机c a d 技术迅 猛发展，如机械设计与制造、现代建筑设计、服装设计c a d 等领域都在广泛 的使用大幅面的喷墨绘图机进行工程图纸的输出，这样一来彻底解放了传统 的手工绘图方式的束缚。 2 ) g i s 地理信息系统：目前，我国的地理信息系统有着广泛的发展前景，例如在 城订规划与管理，土地资源的保护、农林业资源的调查、矿产资源的丌发、 公安消防等领域都有广泛的应用，那么要把测绘的图纸高质量的绘制出来就 要借助于喷墨绘图机。 3 ) 数码影像输出领域：广告业的兴盛为大幅面广告喷绘提供了广阔的市场，随 着人们生活质量的提高，影楼的婚纱摄影、个人写真摄影发展持续走高，这 些为大幅面的喷墨绘图机提供了用武之地。 1 2 喷墨技术简介 喷墨技术自上世纪7 0 年代末。3 ，8 0 年代初问世并成功的实现商业化推广应 用以来，得到世界上许多知名i t 大公司的重视。这些公司有美国的惠普( h p ) 、 利盟( 1 , e x m a r k ) 、日本的爱普生( e p s o n ) 、佳能( c a n o n ) 、以色列的诺尔( h u r ) 、 赛天使( s c i r e x ) 等公司。这些公司在喷墨技术应用与开发方面进行了大量的研 究工作，也产生大量的相关技术专利，从而为喷墨技术的发展做出了巨大的贡献。 而喷墨头的相关技术则是这些技术的核心，下面就喷墨头的般工作原理做一简 单的介绍。 喷墨头按照结构及工作原理可以分为热泡式和压电式两大类。 1 2 1 热泡喷墨头原理“1 如图1 1 是热泡式喷墨头的结构示意图，在喷墨头的表面上排列着许多的 热垃电殂 i 、” 一 _ 一、 ，h 帕一叫、帕 r 嗤乳援 羞麓6 6 6 介质 图1 1 热泡式喷墨头结构示意图 第一章绪论 喷孔，每一个喷孔都对应的有一个加热用的热敏电阻，热敏电阻可以以1 0 0 0 。c 毫 秒的速度对墨水进行加热，从而使喷墨毛细吸管内的墨水在极短的时间内加热到 3 0 0 。c 以上的高温，最终使墨水产生气泡并破裂，破裂的气泡推动墨滴从喷孔喷出。 不同生产厂家生产的热泡式喷墨头喷孔内部的结构与加热电阻的安放位置 往往不同，通常采用如图1 2 和图1 3 所示的结构较多，其中图1 2 的结构加热 电阻在喷孔的底部。 加热器 墨 幽1 2 加热电阻在喷孔的底部 图1 3 所示的结构加热电阻的位置在喷孔的侧壁上。h p 、l e x m a r k 的喷墨头 多采用图1 2 的结构，而c a n o n 的喷墨头则多采用图1 。3 的结构设计。 墨 压力腔 二一 加热器 图】3 加热电阻在喷孔的侧壁上 图1 4 给出了喷墨头一次喷墨的过程，该喷墨过程可以分为以下4 步： 1 ) 生成气泡核 热敏电阻以i 0 0 0 。c 毫秒的速度加热墨水产生的高热蒸汽能够在少于3 微秒 一4 商性能喷墨绘图控制器研究 一_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - h _ _ _ _ _ - _ 一 的时间内生成气泡核。 2 )形成墨滴 气泡核形成以后不断的进行膨胀，使毛细喷管内的墨水断丌，从而形成墨滴， 该阶段所需的时间大约3 到l o 微秒。 3 ) 喷射墨滴 气泡膨大蓟一定程度产生爆破，使墨滴从喷孔内喷射出来，形成可以打印的 墨滴，此过程大概需要1 0 到2 0 微秒的时间。 4 ) 重新吸墨 喷射后毛细喷管又 会重新从墨盒中吸入墨 水，为下一次的喷墨做好 准备，该段需要1 5 微秒 左右的时间，这样一次喷 墨所需的时间约为3 5 微 秒左右的时间，从而决定 了喷墨头工作时可以达 到的最高工作频率约为 3 0 k h z 左右，但是实际上 多数喷墨头的工作频率 是远低于3 0 k h z 的，只能 达到十几k h z 的样子。 黉i ；卜 图1 4 一次喷墨的过程 随着技术的进步，惠酱公司开发出j e te x p r e s s 技术，它将很高数量的喷孔 布置在一个喷头上，每个喷头上的喷孔数量可以达到5 1 2 个，这样每个喷头每秒 喷射的墨滴数目可以达到5 1x1 0 6 个，从而使喷墨打印的速度大大的提高。与此 同时，惠普公司还采用了p h o tr e ti i 技术，一个墨滴的大小可以控制在l o p l ， 使得喷墨的分辨率得以提升。除此之外，对墨滴的控制也不再是传统的喷与不喷 两种选择，喷墨头可以实现由不喷到喷的十多种变化，从而使单个像素的色阶数 增加到成百上千种。 热泡式喷墨技术的优点如下： 1 )由于在喷墨过程中，只有墨水本身被移动，而无需其他机械动作，这就 为频繁操作控制提供了可能性。 2 )热泡喷墨打印技术与半导体集成制造技术密切相关，在同一个打印头上 可以排列较使用其他技术制造的打印头更稠密、数量更多的喷墨孔，这 就为提高打印速度和容错打印提供了可能。 3 )喷墨头制造容易，成本低，更换方便。 第一章绪论 热泡式喷墨技术的不足： 1 )由于喷墨头工作时，墨水被加热到高温，因此对喷墨头具有一定腐蚀作 用，因而造成喷墨头的使用寿命较短。 2 ) 对于墨水的要求较高，墨水的质量将直接影响喷墨的输出的质量。 3 )由于喷射的墨滴呈喷溅散射状，因而很难把握墨滴的形状，每次喷墨的 墨滴大小也有1 0 左右的误差，从而影响喷墨输出的质量。 4 )因为技术原理的局限从而使喷墨的频率不能大幅度的提高，而只能通过 增加喷头的数量来提高喷绘的质量。 1 2 2 压电式喷墨头原理 按照压电陶瓷的变形模式不同，压电喷墨头可以分为4 种主要的类型：压式 ( s q u e e z e ) 、弯曲式( b e n d ) 、推式( p u s h ) 和剪式( s h e a r ) 。如图1 5 到图1 7 所示。 压电喷墨头不管采用何种结构，其喷 墨的基本原理基本相同，即通过给压电陶 瓷材料施加电脉冲，使压电陶瓷产生形变 挤压墨水腔从而使墨水从墨水腔喷出，形 成墨滴。 压电式喷墨技术的优点： 1 ) 压电式喷墨头墨滴的形成是通过直接 的机械变形使墨水从喷 嘴喷射出去的，这样喷射 出去的墨滴较规则，不易 产生溅射的现象。 2 ) 墨滴的大小可以控制，通 过墨滴大小的控制可以 实现更精细的打印，有利 于打印质量的提高。 3 ) 墨水是在常温的情况下 图1 5 弯曲式压电喷墨头结构 图1 6 推式压电喷墨头结构 被喷射出去的，因此墨水对喷嘴的腐蚀很小，有利于喷墨头寿命的延长，同 时对于墨水的化学成分的要求也变得较宽，可以选择更多类型的墨水。 4 )喷墨的频率有较大的潜力可挖，喷墨头的频率可以达到i o o k h z 。 压电喷墨技术的缺点： ! 蔓些堂堕里丝鬯丝型壁婴窒 1 ) 压电式喷墨头的某一 个喷嘴工作时，压电 压电陶瓷 陶瓷的形变会对相邻 的喷嘴造成影响，相 互之间的干扰较为严 重。 2 ) 一次喷墨后，墨水腔 重新吸墨的过程较 慢，这样限制了喷墨 频率的提高，为了提 高输出速度通常采用 杏 o 图1 7 剪式压电喷墨头结构 增加单个喷墨头上喷嘴的数目的方法，但这样将使喷墨头的控制电路变得复 杂，控制难度增大。 3 ) 喷嘴喷出的墨滴速度较低，介质与喷头之间的距离受到限制，一般不大于 0 5 c m 。 1 3 论文的选题及主要工作 论文选题来自于科研项目“宽幅面高性能喷墨绘图控制器研究开发”，目 标是研究支持高分辨率、多喷墨头和高速r i p 的大幅面喷墨绘图控制器关键技术， 掌握高分辨率喷墨头控制和驱动技术、设计基于高性能d s p 的控制器硬件平台、 研究字车伺服中无刷直流电机的数字p w m 控制方法等，从而为新一代的高性能喷 墨绘图机的研制奠定基础。具体工作主要包括： 1 )研究了喷墨头的结构和驱动方式，并根据其特点采用大容量的c y c l o n e 系列 可编程逻辑器件，设计了高分辨率、多喷墨头控制器，从而在很大程度上缩 减了电路系统的规模与体积，提高了系统的可靠性； 2 )从提高r i p 速度的角度出发，采用高性能数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 。f 2 4 0 7 a 设计了支持多喷墨头和实时r i p 的高性能喷墨绘图控制器； 3 )采用f p g a 设计了大容量s d r a m 控制器，从而解决了这种d s p 不支持动态r a m 的问题，提高绘图控制器的数据存储能力： 4 )设计了无刷直流电机的p w m 控制电路，首次在工程绘图机上实现了无刷直流 电机的数字伺服控制，从而提高了字车运行平稳性和可靠性； 5 )分析了由于字车运动导致的喷射墨滴的位置误差，探讨了其补偿方法； 第一章绪论 6 )对所设计的喷墨绘图控制器进行了实验研究，结果表明：在配置四个喷墨头 的2 5 m 绘图机上，其输出速度可达2 0 0 m 2 h ，超过了国外同类机型的先进水 平。 ! 堕堡墼堕墨叁望笙趔堡婴窒 第二章总体设计方案 2 1 宽幅面喷墨绘图机设计中的关键问题“2 ” 喷墨绘图机设计中存在的关键性问题总结起来主要有两个方面，其是机械 结构设计的复杂性，其二是电气结构没计的复杂性。宽幅面的喷墨绘图机当输出 幅面达到2 m 左右时，则机架的长度将达到2 5 m 左右，这么庞大的机架对加工用 的型材，对于字车的结构，对于输纸机构等方面的机械设计都提出了较高的要求， 更为重要的是这种机械结构方面的改变，为电气结构的设计带来了严重的问题， 这些问题主要有以f 几个方面： 1 ) 处理的数据量大为了能喷印出期望的图形或文字。喷墨绘图机必须 首先将计算机发来的绘图命令解释为相应的点阵数据，再驱动喷墨头进行喷印。 当喷墨头印点分辨率较高、输出幅面较宽时，最终送到喷墨头的点阵数据量将非 常可观。例如，当喷墨绘图机输出幅面为2 m 时，如采用一个喷头宽度为0 5 英寸、 分辨率为6 0 0 d p i 的喷墨头进行喷印，完成一次喷墨扫描所需的点阵数据就达到 1 7 3 m b 。如果为了提高喷墨输出速度采用4 个喷墨头并行输出，则需要实时高速 处理的数据量达到6 9 2 m b 。为了保证喷墨绘图机高速的输出，必须要有性能优越 的处理器进行点阵数据的生成、存储以及文件的管理等操作。 2 )喷墨头驱动时序复杂为了使喷墨头正常工作，喷墨头的控制时序必 须满足其自身控制时序的要求。喷墨头的种类不同其相应控制时序不同，而且由 于喷墨头自身结构的特点，其驱动时序具有一定的复杂性，而且喷墨头分辨率越 高、喷孔的数目越多、其驱动逻辑电路通常越复杂。为了保证喷墨头实时工作时 序，通常必须用硬件直接实现喷头的驱动，这必然需要用到专用的集成电路芯片 或大规模可编程逻辑电路来实现。 3 )数据的传输问题喷墨绘图机的结构设计复杂性体现在两个方面：首 先喷墨绘图机的输出幅面较宽，这使得喷墨绘图机通常具有较大尺寸的机架和较 长的导轨，要保证字车具有足够的运动精度，导致复杂的机械结构设计；第二， 这种机械结构上的变化也给系统的数据传送带来很多的困难。这里的数据传送主 要是指喷墨绘图机主控制器到喷墨头的打印数据的传输问题，通常情况下作为打 印机的控制器总是固定安装在机身的某个位置，打印机要打印的数据通过导电电 缆并行的传送到运动的喷墨头，在小型的打印机上由于传送距离较短这样的传送 没有什么问题，但是对于宽幅面的喷墨绘图机而言，要采用这样的方法并行的传 送2 m 左右的距离，就很难保证数据传送的正确了，而必须采用其他的措施来实现 第二章设计方案论证 数据的有效传送。 此次设计中主控制器的设计主要就是针对上述问题进行方案的论证，给出解 决的措施与办法，并且通过实践证明了设计方案的正确性。 2 2 主处理器选择与外围配置 2 2 1 主处理器速度的测算与选择 主处理器是整个喷墨绘图机控制器的核心，主处理器选择是否恰当将直接关 系到系统设计的成败。这里主要考虑一下几点：首先，控制器要求主处理器必须 具备足够高的速度从而有能力去处理打印数据和实现复杂的打印控制任务；其次， 除了考虑其处理速度之外还需要考虑其是否具有丰富的硬件资源，如果主处理器 芯片本身所带的硬件资源丰富，这将省去用户在芯片外围进行资源扩展，从而减 小系统的规模，降低设计的难度；另外，还要认真考虑相应的开发平台功能是否 完备，相关的技术支持是否方便等因素。 在以上所述地相关因素中处理器的速度是最关键的因素，因为如果处理器的 速度出现瓶颈，整个控制器的速度将受到严重的影响，因此这里首先对所要选择 的处理器的大致处理速度做出测算。按照前面的分析，在6 0 0 d p i 的分辨率下，采 用4 个喷墨头并行进行喷印，喷印的幅面宽度设定为2 m ，喷印一次所需处理的数 据量达到6 9 2 m b 。每个喷墨头的输出宽度为0 5 英寸，4 个喷头在2 m 的宽度内喷 印一次输出的图形的面积为 0 5 4x2 5 4xo 0 1 2 0 1 0 1 6 m 2 要达到2 0 0 m z h 的输出速度，则喷印一行所需要的时间为： 3 6 一f 型纠。1 8 2 9 程) o 1 0 1 6 j 这也就是说所选取的处理器必须至少在1 8 2 9 秒的时间内完成6 9 2 m b 数据的 处理、存储和传送，对于如此大量的实对数据的处理要求处理器必须具有较高的 运算能力，采用8 位的微处理器几乎是找不到可以满足要求的产品，因此只能在 1 6 位的处理器或1 6 位以上的处理器中选取，这里从减小系统的规模的角度出发希 望选用1 6 位的高速微处理器，那么如果选用1 6 位的微处理器，它由该具有什么 样的性能呢? 首先，质选择的处理器必须支持外部的总线操作，如果没有外部总线对于大 量的实时数据的存取将是一件难以实现的工作。 第二，在1 6 位的数据宽度下，一次数据传送操作可以传送2 个字节，那么在 不考虑r i p 数据实时处理的情况下，仅从数据传送的角度出发，处理器必须在1 8 2 9 竺高性能喷墨绘图控制器研究 秒的时间内有能力完成6 9 2 m b 数据存一次，取一次的任务，那么数据的存取总量 将达到6 9 2 m b 2 ：1 3 8 4 m b ，按照1 6 位的数据宽度进行操作，则处理器要进行数据 存取的总次数为6 9 2 m 次。因此可以大致推算出处理器一秒钟进行外部数据操作 的能力应不低于 型兰- ；3 7 8 m 次 1 8 2 9 第三，除了数据的存取之外，r i p 数据的实时处理也是处理器的重要任务，打 印中的每一个点阵数据都是处理器通过运算处理得到的，这样的运算处理虽然并 不十分复杂，但由于处理算法中涉及到乘除法运算及生成的数据量巨大，因此占 用的处理器时间较多。 第四，主处理器直接控制打印的全过程，主处理器既要向喷墨头送数据，还 要与电机控制器之间进行通信，这些任务的完成也需要占用处理器的时间。 在综合考虑以上因素最终选取了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 x x 系列”中的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为主处理器，从处理能力的角度出发，该处理器工作于4 0 m h z 的频率时，完成一条内部指令的时间为2 5 n s ，在进行外部数据传送时占用的时间 较多，按照两个指令周期传送一个字的速度来测量，完成上述3 7 8 m 次的传送只 占处理器时间资源的3 7 8 2 4 0 = 1 8 9 ，约为2 0 ；主处理器对喷墨头传送数据 以及与电机控制器之间的通信时间不多于数据的存取时问，这里仍按照2 0 0 5 的处理 器时问来估算；这样一来，用于r i p 实时数据处理的时间约占处理器时间的6 0 ， 这个比例是比较合理的，这就从处理器的能力方面说明t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是可以用于 该喷墨控制器的“。 该系列的b s p 处理器芯片特别适合用于各种工业控制领域，除具有较高的处 理器速度之外，片上的资源丰富，这极大地方便了用户构建各种高性能的嵌入式 控制系统，图2 1 是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的内部逻辑结构框图，其主要的特点如下： 采用高性能的c m o s 技术，使得供电电压降到3 3 v ，从而减小了控制器的功耗； 当处理器的主频为4 0 m h z 时，指令执行周期仪为2 5 n s ，具有较高的处理能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 x x 系列d s p 代码与t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内具有高达3 2 k 字1 6 位的f l a s hr o m ，高达2 5 k 字1 6 位的内部静态r a m ， 其中有5 4 4 字的双端口r a m ( d a r a m ) ，2 k 字的单端口r a m ( s a r a m ) 。 具有一个s c i 异步串行通信口，支持s c i 引导r o m 。 具有个s p i 同步串行口，支持s p i 引导r o m 。 具有两个事件管理模块e v a 和e v b ，而每一个事件管理模块又包含如下资源： 两个通用的1 6 位的定时计数器；8 个1 6 位的p w m 通道；对外部事件进行定 时捕获的3 个捕获单元；片内的正交编码脉冲处理电路。 第一二章设计方案论旺 图2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的内部逻辑结构框图 高性能喷墨绘图控制器研究 可扩展的外部存储器空间和i 0 空刚，最多可以扩展6 4 k 字的程序存储空间， 6 4 1 ( 字的数据存储器空间和6 4 k 字的i o 存储器空间。 具有看门狗定时器模块。 1 0 位的a d c 转换器，其最小转换时间5 0 0 n s ，共1 6 个通道。 具有c a n 2 o b 模块，支持c a n 通信。 串行通信接口( s c i ) 模块，支持异步串行通信。 具有内部的时钟锁相环，方便实现时钟倍频。 高达4 1 个可单独设是的通用输入输出( g p i o ) 引脚。 5 个外部中断源。 支持低电压工作模式。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 处理器具有较丰富的系统资源，为系统的整体框架设计带 来很大的方便。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 支持外部的r o m 、r a m 和i 0 空间的扩展，支持外部 的总线操作，通过这些总线来对外部的动态存储器s d r a m 进行操作，对喷墨头进 行i 0 操作，实现信息交换，另外，系统所需的配簧信息存储在外部扩展的f l a s h r o m 中，通过总线也可以对该空间进行访问；通过s c i 口实现了控制器与p c 机的 通信，接收p c 机传送的命令和打印文件；通过s p i 口实现了喷墨控制器与电机驱 动器之间的通信，从而实现了主控制器对电机的控制；通过事件管理模块中的正 交编码脉冲电路和定时计数器实现了喷墨控制器对字车电机运动光栅信号的检 测，实现精确的打印；在喷墨头打印的过程中，通过芯片内部的a d 转换器对每 一个喷墨头的温度进行实时的监测，以防止喷墨头温度过高而损坏。整个主处理 器的资源得到了较充分的利用，有效地减小了系统的规模。 2 2 2 外围配置方案 该系统的外围硬件配置结构较为简洁，这也是希望达到的目标。外围的主要 配置有喷墨头逻辑驱动电路和动态存储器及其控制器。这里动态存储器采用了 h y n i x 公司的大容量s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 “川”1 ，由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 不支持真 接的动态存储器扩展，因此采用可编程逻辑芯片来实现s d r a m 控制器对扩展的 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 进行存取访问和动态刷新管理。该系统设计的另一个难点就在于喷墨 头逻辑驱动电路的设计上，由于要实现4 个喷墨头的逻辑驱动电路，电路的逻辑 关系和控制时序复杂，规模庞大，采用集成度较低的器件将使系统的硬件规模增 大，实现成本大大增加，因此这里选用了全球著名的可编程逻辑器件生产厂家 a l t e r a 公司近年推出的新型器件e p l c 6 q 2 4 0 ，该器件属于a l t e r a 公司生产的 c y c l o n e 系列”1 ，该系列器件的突出优点是具有较高的集成度，同时又具有较低 的价格，具有很高的性能价格比。由于所选的芯片具有丰富的逻辑资源和i 0 口 第二章设计方案论证 资源，不仅用其完成了喷墨头逻辑驱动电路设计，而且也在其内部实现了s d r a m 控制器的所有功能，这样系统的规模得到了极大的压缩。硬件结构变得简单。 2 2 3 通讯解决方案 该系统设计中涉及到的通讯问题主要有以下凡个方面，首先是上位p c 机与主 控制器的通讯问题，在这一通讯过程中主要是实现上位p c 机对喷墨绘图机的命令 设置和传送要打印的文件数据。上位机文件的存储格式为矢量文件格式，采用该 文件格式的好处主要是文件的存储容量较小，占用的空间小，其次这样的文件格 式也可以保持软件等方面的兼容。通常情况下由于打印矢量文件的容量不是很大， 传输的距离选不是很远，因此选用了异步串行通信方式来实现控制器与上位机的 通信。 其次，对于喷墨控制器与电机控制器之间的通讯，可以同样采用异步串行通 信方式来实现，但是由于主处理器芯片只有一个异步串行通信口，为简化设计和 充分利用系统的已有资源这里使用了主处理器芯片上的s p i 口来实现与电机控制 器之间的通信，而对于电机控制器为了配合与d s p 的s p i 通信也选用了具有s p i 口的处理器。 2 3 控制器整体设计方案 系统的整体设计方案是在对系统设计方案一的充分论证与修改的基础之上最 终确定的，下面首先对系统设计方案一进行筒要介绍，漉明其存在的不足之处。 2 3 1 系统设计方案一 设计方案一中主控制器的结构框图如图2 2 所示。 在该设计方案中选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主处理器，利用其s c i 串行通信口 实现与上位p c 视的通信，利用s p i 口实现与电机控制器的接口，利用主处理器的 a d 转换功能实现喷墨头温度信号的检测，通过片上正交编码器及定时计数器实 现字车光栅信号的检测。系统中选用大规模可编程逻辑芯片e p l c 6 q 2 4 0 实现s d r a m 控制器的功能，对系统中扩展的3 2 m 1 6 b i t 的动态存储器进行管理。 该设计方案中，考虑把主控制器与喷墨头分别进行安装，主控制器固定安装 在机架上，打印机工作时，由主控制器把需要打印的数据通过并行差分传送”“方 式传送到喷墨头控制电路单元由该单元的可编程逻辑电路对打印数据进行组织、 分配和时序控制。这样一来系统中需要解决的一个主要问题就是主控制器到喷墨 头的数据传送问题，由于传送的距离大于2 m ，传送的数据量较大，实时性要求较 兰 壹堡丝堕墨丝里堡型墨婴塑 串行接口。 电机控制串口温度检测5 v 、1 2 v 电源接口及 j f f 3 3 v 、1 5 vf h 源变换 电路 d s p 处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 卜 检测电路 字车光栅位置 彳 检测接口 l “6 b ， ll 吣7 总强1 _ 芎 彳了王王 之岁 打印数据输出总线接口 e p i c 6 q 2 4 0 介 s d r a m 控制器u 打印数据的差分传送转换接口 彳千彳 u上上 d r a m 爿行差分传送驱动接口电路 3 2 m 1 6 b i t 图2 2 设计方案一主控制器结构框幽 高，采用直接的并行传送方式以及单端口的串行传送都很难满足传送要求，因此 在最初的设计中拟采用并行差分传送技术实现从主控制器到喷墨头的数据传送， 实现传送的基本原理框图如图2 3 所示。 ab u s db u s r d w r 并行 并行 差分转 4 差分转 换电路厂_ 1 换电路 t i i 图2 ，3并行差分传送原理框图 喷墨头的驱动电路相对于主控制器来说相当于一组i o 端口，主控制器对喷 墨头进行的操作最终可以等效为对相应的i o 端口进行读写访问，为了保持主处 理器对喷墨头的等效t o 访问，并且不破坏主控制器的读写时序，这里通过并行 第二章设计方案论让 差分转换电路i 将主控制器的i o 操作信号全部转换为差分信号进行传送，转换 后的并行差分信号传送到喷墨头后由并行差分转换电路i i 进行转换，又还原为主 控制器进行i o 访问的总线信号，从而实现真一的i 0 读写操作，这就是该差分 传送的基本原理。 该方案的技术实现需要解决的主要问题是如何实现单端信号与差分信号之间 的相互转换，应用现有的转换器芯片来实现这样的转换需要多片器件才能实现， 例如采用差分转换芯片f 1 0 4 7 、f 1 0 4 8 来实现设计电路，则需要1 6 片之多，主控 制器侧需要8 片，喷墨头侧也需要8 片，这样的电路规模较大，实现的费用较高， 如果考虑主控制器与喷墨头部分的所需可编程逻辑器件开销，则电路的规模会更 大，这样的系统即使能够工作，其实现的规模与成本也是难以接受的。除此之外 由于用于并行差分传送信号线的根数较多，信号线的连接与安装也是值得认真考 虑的问题。 2 3 2 系统设计方案二 由于以上所述的原因最终否定了方案一。为了简化与优化设计，采用如图2 4 框图所示的设计方案二。 设计方案二与设计方案一的最大区别在于主控制器与喷墨头之间的数据传送 处理方法截然不同，新方案中彻底放弃了并行差分传送技术的解决方案，采用大 规模可编程逻辑芯片与d s p 主控制器芯片紧密结合的方法实现嵌入式设计，把本 应独立设置、固定安装的主控制器与喷墨头驱动电路集成在一起，工作时喷墨头 与主控制器一同运动，从而使主控制器与喷墨头之间的数据传送问题得以彻底解 决，用于差分传送转换的接口芯片也被省去，从而使电路的规模大大缩减，图中 “打印数据的组织与分配逻辑”与“s d r a m 控制器”电路功能的实现用片大规模 可编程逻辑器件即可完成，新型的大规模可编程逻辑器件为这种方案的实现提供 了可能，这也是该最终设计方案的突出特点。 本章的内容针对喷墨绘图机主机控制器的整体设计方案进行了阐述，方案中 采用了高速的d s p 处理器与大规模的可编程逻辑器件进行设计，大大的缩减了系 统硬件的规模，提高了系统嵌入化程度，并因此带来系统运行的可靠性与稳定性。 兰 壶些堂堕里丝堕丝型墨婴壅 图2 4 设计方案二框图 第三章喷墨头逻辑驱动电路设计 第三章喷墨头逻辑驱动电路的设计 3 1喷墨头的结构与控制口引。 喷墨技术虽然发展到今天已经相当成熟，但是我国没有一个厂家可以生产具 有自主知识产权的喷墨头，这些产品主要还是依靠进口，对于喷墨头的内部详细 结构和相应的驱动控制各个生产厂商一般都作为技术秘密不向外公布，因此作为 我们的产品开发只能对所选用的喷墨头进行测试，得到其可能的内部结构和对应 的控制方法。 为了得到较高的喷墨速度以及考虑喷墨头是否容易得到等因素，在此次产品 的开发中采用了某热泡式单色喷墨头，该喷墨头具有印点分辨率高，输出速度快 等优点。这里为说明问题方便假定喷头的相关参数为：印点数2 k ，分辨率6 0 0 d p i ， 喷墨头宽0 5 英寸。按照该参数可以绘制出喷墨头喷孔的排列情况如图3 1 所示。 通过该示意图可以看出喷 墨头上的2 k 个喷孔被排列成两 排，每排k 个孔，从水平位置进 行观察，两列孔的位置f 好是间 隔开来的，这样做的主要目的是 为了降低加工制造的难度，提高 喷墨头的分辨率。 喷墨头外部用于喷墨控制的 信号端子除地线以外共2 m + n 根 ( 注：这里m 和n 的取值与喷墨头 的型号相关) ，那么又是通过什么 样的方法实现对2 k 个喷孔分别进 行控制的呢? 这也是此次设计所 要解开的主要难题。通过大量的 实验测试初步搞清楚了该喷墨头 的逻辑组织结构。下面对于喷头 1 r 1 1 r j 手。j莩 星 窑 善 6 占 盆 兰 ： 一 一i ， ! 0 图3 1 喷墨头喷孔排列示意图 k + 1 2 k 内部的可能结构进行说明。 首先，喷头上的2 k 个喷孔是分组进行控制的。一个喷头上的喷孔按逻辑被分 成2 m 个组，每组含n 个喷孑l ( 2 m x n = 2 k ) ，2 m 个组在喷头上分成两列排列，每列 含有m 组喷孔，每一组的n 个喷孔排列在一起，从外观上看喷孔的整体排列就如 高性能喷墨绘幽控制器研究 图3 1 所示的情况。 第二，每一个组的r 1 个喷孔由n 个行信号线和1 根列信号线控制，各组之间 的n 个行信号线相互并联，各组之间的列信号线相互独立。在喷印时行信号以循 环脉冲分配的形式给出，也就是说 行信号依次给出控制脉冲，每一个 脉冲对应于1 个喷墨孔的喷印控 制。当某根行线上出现有效的脉 冲信号时，对应的列线上如果有功 率脉冲信号同时输出，则此行线对 应的喷孔喷出一个墨滴，相反，如 果没有对应的功率脉冲输出则该行 线对应的喷墨孔不喷。也就是说，n 个行信号与n 个喷墨孔相对应，而 从列信号上串行输入的功率脉冲信 号将决定对应的喷墨孔是否进行喷 印。 这样，喷墨头的内部电路的组 织结构可用如图3 2 所示的电路来 “一日 c o l 2 7 0 i ：v 日 i _ = 1 ) l 4 c o l 2 r a - 3 卧 cc 儿2 m 一2 一。 c f j i - 2 m i 厂= _ _ _ 图3 2 喷墨头内部屯路组织结构 比拟。这里奇数组排成一列，偶数组排成一列。 第三，根据测试结果，进一步猜测 每一组的n 个喷孔的内部电路图如图 3 3 所示。这样就不难理解为什么会有 上面所述控制原理了，这样就从内部的 微观结构上对该喷墨头的电路组成做出 了解释。 第四，每组n 个喷孔的排列结构 又是什么样的? 可能多数的情况下人们 会认为每组的n 个个喷孔会在位置上按 顺序个挨着一个进行排列，但是实测 的结果并不是如此。为说明问题方便起 见，假定每组含有的盆孔的个数为2 2 ， 并用图3 4 来说明每组的2 2 个喷孔在物 理位置上的排列关系。图中所示的喷孔 v v 1 1 0 w i ，9 电 = l 一 ，、r - 一 r o w 2 f 9 国 一 ： 图3 3 每组喷孔的内部电路 t 1 技分成3 列，每一个喷孔上标注的序号为该喷墨孔对应的行控制脉冲的序号，这 第三章喷墨头逻辑驱动电路设计 些喷墨孔原本是一列，只是为说明问题方便起见画成3 列，每一列喷孔对应的控 制行信号脉冲的序号相连，但物理的排列位胃： 并不相连，如果把这三列排成一列，从上到下 对应的控制行脉冲顺序为l 、9 、1 6