（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的复印机供纸系统研究.pdf

摘要 复印机是集机械、电子、光学、计算机和控制等技术为一体的机电一体化产品，纸路 系统贯穿复印过程的始终，是纸张有效运行的载体，供纸性能的好坏影响复印效率和质量。 本文以复印机供纸纸路为研究对象，依据其机械部件和工作流程，提出总体设计方案。 结合复印机纸路控制特性，根据a r m 芯片强大的接口功能和控制精度，选择s 3 c 4 4 b o x 作为系统控制芯片。利用芯片大量的输入输出接口功能，设计了纸张大小识别模块、纸张 对位模块、纸盒有无纸检测模块等传感器硬件检测电路。基于s 3 c 4 4 b o x 的p w m 口输出 特性，设计了纸路系统中电机驱动电路，搓纸动作由电机驱动控制芯片l 2 9 8 与直流电机 完成，纸张的输送由步进电机控制器l 2 9 7 和电机功率放大器l 2 9 8 共同作用于步进电机 实现。设计了转速检测模块对电机运行进行实时监控。以各电路为基础制作了p c b 板。 软件设计以a r m 嵌入式系统为基础，设计系统启动程序、传感器信号读取和分析程序、 电机转速测量程序以及和上位机的通讯程序等。基于s 3 c 4 4 b o x 芯片的三级流水线技术， 系统运算速度快，控制精度高，省去了各种控制算法的引入。 结果表明，系统工作正常，满足系统设计要求，基本实现了用通用控制器设计最小控 制系统的功能。 关键词：复印机；供纸系统；嵌入式系统；s 3 c 4 4 b o x ；传感器 r e s e a r c ho nt hef e e d i n go fc o p i e rb a s e do na r m a b s t r a c t c o p i e ri sam e c h a n i c a la n de l e c t r i l c a lp r o d u c tw h i c hi si n t e g r a t e dw i t hm e c h a n i c ，e l e c t r o n i c ， o p t i c s ，c o n t r o lt t e c h n o l o g ya n ds oo n t h es y s t e mo fp a p e rr o a dr u nt h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so f c o p y i n g ，i ti sav e h i c l eo fp a p e r se f f e c t i v er u n n i n g ，t h eq u a l i t yo fp a p e r sf e e d i n gi m p a c tt h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fc o p y i n g t h ep a p e rm a k et h ep a p e rf e e d i n gr o a do fc o p i e ra st h eo b j e c to fs t u d y , a c c o r d i n gt oi t s m e c h a n i c a lc o m p o n e n t sa n dw o r k f l o w , i tp r o p o s e sad e s i g np r o p o s a l c o m b i n e dw i t ht h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i co fc o p i e r sp a p e rr o a d , a c c o r d i n gt oa r m c h i p sp o w e r f u li n t e r f a c ef u n c t i o n , i c h o o s es 3 c 4 4 b o xa sc o n t r o lc h i pf o rt h es y s t e m id e s i g n e dt h em o d u l eo fi d e n t i t y i n gp a p e r s s i z e , t h em o d u l eo fp a p e r s c o n t r a p o s i t i o n ，t h em o d u l eo fw h e t h e rt h ec a r t o nh a sp a p e r sa n ds o s e n s o r sh a r d w a r ed e t e c t i o nc i r c u i t su s i n gt h ef u n c t i o nt h a tt h ec o n t r o lc h i ph a sm a n yi n p u ta n d o u t p u tp o r t s b a s e do nt h ep w mo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs 3 c 4 4 b o x ，id e s i g nt h em o t o r s d r i v i n gc i r c u i t sf o rt h ep a p e rr o a ds y s t e m , t h ea c t i o no fp i c k u p i n gp a p e ri sf i n i s h e db yc o n t r o l i n g c i r c u i tl 2 9 8a n dd cm o t o r , t h ep a p e r s f e e d i n gi sa c h i e v e db ys t e p p e rm o t o rc o n t r o l l e rl 2 9 7 a n dm o t o r sp o w e ra m p l i f i e rl 2 9 8 sa c t i n go ns t e p p e rm o t o rt o g e t h e r id e s i g n e dt h es p e e d d e t e c t i o nm o d u l et or e a l i z et h em o t o r s r e a lt i m em o n i t o r i n g im a d ep c bb o a r db a s e do na l l c i r c u i t s t h es o f t w a r e sd e s i g ni sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mo fa r m ，id e s i g n e ds t a r t u p s e q u e n c eo ft h es y s t e m ，t h ep r o c e d u r eo fs e n s o rs i g n a l s r e a da n da n a l y s i s ，t h em o t o r s s p e e d m e a s u r e m e n tp r o c u d u r e p r o g r a mw h i c hc o m m u n i c a t ew i t l lt h eh o s tc o m p u t e ra n ds oo n b a s e d o nt h et h r e ep i p e l i n et e c h n o l o g yo fs 3 c 4 4 b o x ，t h ew h o l es y s t e mh a sah i 曲o p e r a t i o ns p e e d a n dp r e c i s i o n ，e l i m i n a t i n gt h en e e do fi n t r o d u c t i n gv a r i o u sc o n t r o la l g o r i h m s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a l lw o r kn o r m a l l y hf u l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t sa n d b a s i c a l l ya c h i e v ed e s i g ns m a l lc o n t r o ls y s t e mw i t hu n i v e r s a lc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：c o p i e r ；f e e d i n gs y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；s 3 c 4 4 b o x ；s e n s o r 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论丈，是本人雀导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文申已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他令人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：王其柏纠年彳月7 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ：王月 指导教师( 本人签名) ： 穗弓毫 汐呷年多月f7 日 呷年b 月7 日 致谢 本论文是在导师杨家富教授的悉心指导下完成的。三年来，导师创造了多次 学习和交流的机会，提供了良好的实验环境和学习环境，并且在学习、生活等各 方面都给了我无微不至的关怀。导师严谨的治学态度、渊博的学识，使我在完成 论文期间少走了许多弯路。导师授以学问，教以为人的工作方法，让我终身受益。 在此向尊敬的导师表示最衷心的感谢。 在本课题研究过程中，得到了机电院3 4 2 0 实验室各同学的热情帮助。在生 活上特别离不开好友胡娜、晏芳、陈丽培、余沛云提供的帮助。在此，对她们一 并表示最衷心的感谢。 衷心感谢我的家人对我无微不至的关爱，正是在亲人们的理解、支持、鼓励 下，我才得以潜心完成学业。 最后，我要感谢南京林业大学对我的培养，在今后的历程中，我将加倍努力， 做一个无愧于母校的学子! 作者：王月梅 2 0 0 9 年6 月 1绪论 复印机是机械与电子、光学与控制、物理与化学共同结合的高技术产品，是 时代发展的必然产物。随着近几年计算机、激光、数字技术、网络等新兴技术的 迅猛发展，信息时代的脚步已经把静电复印技术推到了一个新的高峰。复印机已 不仅仅是一种办公用具，它还在经济建设、科学研究、教学、娱乐中发挥着重要 作用【l 】，已成为一种i t 产品受到人们的普遍重视。 1 1 复印机技术 1 1 1 复印机技术的发展 l9 3 8 年l o 月2 2 日，美国物理学家卡尔逊利用涂硫板作为感受光板，用石 松子粉作为显影图像转印到纸上，产生了世界上第一张静电复印品1 2 j 。19 5 0 年， 美国哈洛伊德公司( 现在的施乐) 制成了第一台手工操作的商业静电复印设备。 1 9 5 9 年9 月，美国施乐公司制成了世界第一台落地式办公用静电复印机一一 x e r o x9 1 4 型，掀开复印机历史上崭新的一页，这是一台全干式静电法全自动复 印机，可在普通纸上印出高质量的复印品，至此，间接式静电复印机问世了。 为了打破美国施乐公司对普通纸静电复印机技术的垄断，世界上许多厂商从 6 0 年代初开始探索新的复印方法和材料。l9 6 5 年日本理光公司在引进美国和澳 大利亚专利的基础上，研制成功b s 1 型氧化锌湿法小型静电复印机。19 6 8 年日 本佳能公司开发了新的感光材料硫化锌感光体，其静电潜像形成方法称为 “新方法( n e wp r o c e s s ) ”简称为n p 法( 此方法为佳能公司专利) 1 3 j 。目前使用的 硒合金、硫化镉、氧化锌感光体都是在6 0 年代研制成功的。中国在6 0 年代也开 展复印技术的研究和静电复印机产品的开发。1 9 6 6 年，我国自行研制( 上海照相 器材厂试制) 的浦江牌静电复印机诞生。到上个世纪6 0 年代末，静电复印技术已 基本进入较为完善的阶段。7 0 年代，普通纸静电复印机又获得了世界范围的大 发展，生产的静电复印机在光影体和显影剂方面得到相当水平的改进和发展。 随着办公自动化的呼声增高，作为办公主要设备之一的复印机迅速发展， i c ( 集成电路) ，l s i ( 大规模集成电路) 以及v l s i ( 超大规模集成电路) 的实用化，如 用微处理器控制复印机的程序、实现复印的放大和缩小功能等，促进了复印技术 的发展。19 8 4 年，日本佳能( c a n o n ) 首次推出了数字式复印机。这期间，国内 复印机行业也有较大程度的发展，从19 8 2 年开始，广州复印机厂、桂林复印机 厂、天津复印机厂等单位在国家有关部委( 总公司) 及有关省市的支持下开始通过 经贸合作方式，系统引进复印机生产装配线，为我国现代复印技术的更新换代起 到了承前启后的作用【4 j 。自8 0 年代中期国内复印机行业开始进入引进与消化两 大阶段。在此阶段模拟静电复印机技术趋于成熟。 复印机有效地实现了智能化、多功能复合化、自动化。数字技术、信息技术、 网络技术的发展，推动了静电复印技术的数字化进程。为了适应信息时代的要求， 应用静电复印技术的产品将向着更深层次的复合化、彩色化、商务化和网络化迈 进。19 9 2 年，佳能推出世界首创备有防伪装置的彩色激光复印机c l c 5 5 0 ，这 款机器采用先进的数字图像处理技术、激光扫描技术和彩色复印技术1 5 j ，是高科 技的结晶，它代表了当时一流的技术水平，并且集数字化、彩色化、多功能于一 体。为了使办公文档的数字化更加便捷，1 9 9 9 年施乐公司将其d o c u m e n tc e n t e r 系列复印机与微软e x c h a n g es e r v e r 进行结合，在康柏服务器平台上开发应用软 件，实现在d o c u m e n tc e n t e r 复印机上一步完成文档扫描，随后联网p c 用户即 可通过o u t l o o k 进行查询，产品在2 0 0 0 年开始在全球发行。从19 9 7 年发布国内 市场上第一款多功能一体机l j 6 5 5 0 m f c 开始，联想就在多功能一体机( m u l t i f o u n c t i o nc e n t e r ) 市场上始终处于领先位置1 6 j 。2 0 0 1 年发起“向激光打印机要市 场”的第一次革命。2 0 0 2 年9 月发起“向传真机要市场”的第二次革命之后，联想 于2 0 0 2 年又将目标再次转向复印机市场，并推出两款多功能一体机高端产品 m 9 2 1 5 、m 9 2 1 8 ，发动“向复印机要市场”的第三次革命。彩色复印机属于高端应 用产品，价格不菲，其进口、销售、采购和使用一直以来受到国家的严格限制， 自从2 0 0 2 年1 1 月，国务院发布了有关文件之后，才开始对彩色复印机的采购和 使用方面不加任何限制，从这个时候，我国彩色复印机的发展之路才真正开始。 多种功能融合已经成为i t 领域产品发展的一道风景，作为i t 市场上重要的高科 技数码产品的数码复印机也不例外【_ 7 1 。2 0 0 2 年联想发布了m 9 0 0 0 数码复印机， 这款复印机具有优异的整体性能和良好的人性化操作，在质量上远远超越了传统 的模拟复印机。 总体而言，静电复印技术已经达到高度成熟阶段，静电复印技术的应用更加 广泛。复印机市场正在经历一次重大变革，即由传统复印向数码复印转变。从性 能上看，数码复印机有很大的优势，数码复印机的性能优势将发挥到前所未有的 高度。从功能的复合来看，多功能的复合一体机是大势所趋。 1 1 2 复印机纸路系统 复印纸从进纸口一转印部一出纸口所经过的路程为纸路m j 。根据纸路的形状， 可以将目前复印机的输纸方式归纳为三种，即水平输纸方式、垂直半圆输纸方式 和u 形输纸方式【9 1 ，如图1 1 所示。液体显影盒一般只能设置在鼓的下方，液体 色剂的渗透性使色剂图像在垂直行进中不受影响，因此垂直半圆输纸方式是湿法 p p c 机广为采用的方式。u 形输纸方式纸盒设置在机器内，可节约空间，适合小 型台式复印机使用。水平纸路结构是供纸盒与接纸盘分别位于复印机的两侧，铺 排更为合理，水平走纸更为顺畅，墨粉转印图也不易变形，是目前绝大多数中小 2 型机所普遍采用的方式。 八 纸路un进纸口 口 ( a ) 水平输纸 ，广、j 厂一。岁 ( 鼓狰纸路 j 、。、o进纸口 ( b ) 垂直半圆输纸( c ) u 形输纸 图卜l 输纸方式 f i g l - 1f e e d i n gm e t h o d 水平输纸方式以其优越的性能在复印机纸路系统中应用广泛，图1 2 是水平 输纸方式的主要结构，图中可以看到纸路主要部件、位置以及磁簧开关对纸路的 监测。复印纸在对位辊5 之前有两种传送方式，一种是从手送稿进口1 2 经过纸 张有无检测传感器4 和手送稿导轮1 0 到达对位辊的手动送纸方式，一种是从纸 盒经过搓纸轮1 1 进入对位辊的自动供纸方式。在对位辊处复印纸完成与原稿扫 描初始位置的对应。复印纸经过鼓时把墨粉图像转印到纸上，分离导纸辊6 把纸 张与鼓分离，纸张经过位置传感器2 检测之后经过导板7 到达定影辊8 ，完成图 像的固定，分离爪9 把纸张与定影辊分离，最终通过排纸传感器3 把纸张排出。 1 传感器m s l ：2 传感器m s 2 ：3 - 传感器m s 3 ；4 - 传感器m s 4 ； 5 第二供纸辊( 对位辊) ；6 - 分离导纸辊：7 - 导板；8 - 定影辊； 9 分离爪；l o 手送稿导轮；l l - 搓纸轮：1 2 - 手送稿进口 图1 2 复印机纸路结构 f i gl - 2t h es t r u c t u r eo fc o p i e r sp a p e rr o a d 复印机水平供纸方式按走纸方向的顺序分为第供纸部、第二供纸部、转印 部、中间传送部和定影排出部五个部分l l ，每部分都有自己的特点和关键部件。 本研究主要针对复印机供纸纸路即纸到达转印部之前的输纸过程进行分析 设计，即对第一供纸部和第二供纸部的研究。如图1 3 所示的第一供纸部，复印 纸的前沿到达两个对位辊之间，待纸头到达对位辊后搓纸轮持续转动一会，使纸 头微呈弓形在对位辊处对齐，以便在第二供纸部的顺畅输送。与第一供纸部有关 的部件还有导纸板、导轮、纸路检测器以及带动第一供纸辊的电磁离合器等。第 二供纸部的关键部件是对位辊，也称为第二供纸辊。复印纸从第一供纸部到达这 里后先停下，等待机器下一步骤的开始。 图1 3 第一供纸部 f i gl - 3t h ef i r s tp a r to ff e e d i n g 纸从第一供纸部开始直至定影后排出机外，整个过程都受到计算机严格精确 的控制。在纸路的关键部位设置微动开关、l e d c d s 光电断路器等传感元件，对 走纸进行监测，并将信号传输给c p u ，c p u 根据时基和纸路监测信号是否吻合 来判断走纸时间的正确性l l 。 根据供纸方式，可以将复印机供纸分为手动送纸和自动供纸两类。对于复印 机来说，采用手动送纸是最为稳妥的，但这种方式在进行连续复印时严重影响复 印效率。自动供纸则是通过一定的自动机械装置对复印机进行供纸，这种方式复 印方便、工作效率高。 1 1 3 复印机微控制器 复印机中微控制器与复印过程的程序控制结合在一起，在复印过程中起至关 重要的作用。在复印机的研究发展过程中，对机械构件、材料、性能等研究较深 入，而对主板中微控制器的研究相对来说就很少。 近几年来，对复印机微控制器的研究有了一定的进展。2 0 0 3 年，i n t e l 公司 发布了面向复印机和扫描仪等设备的m x p 系列处理器，其性价比高，用于复印 机中能创造出高利润。2 0 0 5 年，业界标准处理器架构与数字消费性及商业系统 应用核心方案领导供应商m i p s 科技公司( 纳斯达克上市代号：m i p s ) 宣布，东 芝公司的t x 9 9 h 4r i s c 微处理器采用m i p s 6 4 2 5 k f 的控制器核心。在8 0 0 m h z 的频率下，这种微控制器非常适合需要高速数据处理和高质量要求的数码 多功能复印机等复杂设计，已用作佳能公司最新多功能数码复印机c o l o ri m a g e r u n n e ri rc 3 1 7 0 f 的控制器。 主控制板是复印机的核心部件，其微控制器随时对复印机的运作进行监控， 随时对机器进行调整，为机器的耗损进行补偿，不断提高机器的可靠性，保证机 器运作的稳定性，保证复印质量。 目前复印机制造商都有自己独立的控制芯片，阻碍了复印机通用性的发展， 用通用微控制器实现复印机主板所需功能是复印机研究过程中的一项挑战。因 此，在把研究复印机的工作效率作为主要研究方向的同时，通用微控制器的主控 制板研究也同样不可忽视。主控制板的研究不仅能够使复印机更接近于了解通用 4 微控制器的人，而且使复印机学习者能够更快地了解复印机的工作原理和控制过 程，有利于复印机的进一步的研究和开发。 整个复印机的运转是在主控电路控制下进行的，如图1 4 所示。微控制器是 复印机主控板的核心，复印机中微控制器的使用数量有增加的趋势，用不同的微 控制器控制复印机不同的工作模块。本文就是针对供纸系统选择合适的微控制器 对复印机动作进行控制。复印机纸路系统包括电机驱动系统、传感器信号采集系 统等。主板接收来自传感器的信号，对电机控制，从而依靠机械单元实现复印纸 的传送。 图1 4 复印机主电路框图 f i g l 一4m a i nc i r c u i td i a g r a mo fc o p i e r 嵌入式系统是一种根据特定用途专门开发的系统【l2 1 ，它只完成预期的功能， 其开发过程和开发环境同传统的软件开发有显著不同。a r m 嵌入式控制能够灵 活地实现多种控制策略，根据复印机供纸纸路的需求分析确定具体的控制方案， 利用其强大的系统接口、高速运算、丰富的操作系统兼容性、多种开发编译平台 和强大的软件资源支持，可以以较低的成本在较短的时间内实现复印机中要求的 各种功能。 基于a r m 的嵌入式控制器能够节约控制机资源，程序设计简单，一个普通 的控制器控制一台电机还可以，若两台就要有较高的程序设计水平才行，而嵌入 式控制器可以毫不费力地控制多台电机，因为驱动逻辑都已在嵌入式控制器中完 成。 1 2 研究目的和意义 本课题研究的目的是根据企业需要，研究一种国产化控制系统替代原有复印 机控制系统，解决微控制器的不可互换性，实现自主知识产权，发展民族工业。 纸路系统贯穿整个复印机工作过程的始终，对形成高质量的复印件起很重要 的作用。供纸过程中纸张发生扭曲或倾斜，复印机通过曝光系统获取的图像信息 将不真实，整机复印质量将降低；卡纸故障一旦发生，整机的复印效率也将降低。 供纸系统影响到纸张是否能够顺利、平稳地输送给印刷单元。由此可见，供纸机 构能否正常运行对复印机执行效率和复印质量有很大影响，一个好的供纸系统对 提高复印机性能效果显著。 在当前，复印机供纸系统的控制主要是通过专用控制芯片来进行，各生产厂 家为了维持自身的利益，虽纸路控制原理不尽相同，控制芯片和纸路形式却因厂 家和机型而异，通用性和灵活性较差，故障发生时维修、更换都需要不同厂家专 业技术人员来进行。用a r m 芯片设计供纸系统电路，不仅能够解决上述不便， 更重要的是a r m 芯片具有较高的控制精度，控制精确，而且还能使人们更容易 了解复印机的工作过程，促进通用复印机行业的发展。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于企业合作项目“数码复印机控制系统的研究”，旨在研究嵌入 式复印机供纸系统。 研究的主要内容： ( 1 ) 控制芯片的选择和研究开发。比较各控制芯片的优缺点，选择一款性价 比高的a r m 控制芯片，以其为核心，设计最小系统，并为其编辑系统程序和应 用程序。 ( 2 ) 电机是纸张输送的源泉，不同电机的运转是根据实际纸路情况协调进行 的，任意一个电机能否正常工作都会影响到整个复印机的运行。分析a r m 芯片 引脚为其选择合适的连接端口，完成供纸系统中电机驱动模块的电路设计、电机 测速电路设计并为其编写相应的驱动程序。 ( 3 ) 整个复印机纸路系统中纸张的位置判断、纸张的大小检测和纸张的状态 断定等都由传感器检测信号通过后续电路传送来完成的，基本的i o 口都能够实 现这种功能。a r m 芯片的i o 引脚多，分析各口性能，设计传感器检测模块电 路。根据硬件电路设计软件程序。 ( 4 ) 结合复印机供纸系统的工作流程，编写基于a r m 的嵌入式控制器的启动 程序代码。 ( 5 ) 根据设计的各硬件电路，制作p c b 板。 ( 6 ) j t a g 板完成各代码的调试和仿真。 6 2 供纸系统总体设计 设计方案是系统开发过程中的重要部分，成本低但能够解决很大一部分产品 成本。设计从个抽象的系统要求开始，根据设计意图，经过从抽象到具体不断 细化的过程，最终完成系统的研究。供纸系统是复印机纸路系统的一部分，系统 性能的好坏关系到纸张的传送能否顺利进行。根据供纸系统的机械结构和工作流 程，提出总体的设计方案。 2 1 纸路系统设计要求和技术参数 本研究针对复印机供纸纸路，提出系统设计要求和技术参数。依据实时情况 判断系统运行状态，用户可以根据纸路系统运行需要，通过复印机界面按键直接 对复印的纸张大小、复印方式等进行控制。 2 1 1 设计要求 ( 1 ) 传感器信号的采集和处理。复印机主控制板根据应用需要配置多种信息 采集传感器，通过传感器检测信号识别纸张的大小和运行状况。 ( 2 ) 电机控制。纸路系统中直流电机和步进电机的程序控制，使电机协调 运转，完成纸张的输送。电机的运行状态通过监测电路实时反应到控制面板中。 ( 3 ) 指令的接受和发送。系统即能够接收上位机传送来的控制命令，又能 够发送数据到上位机。 ( 4 ) 存储器。系统要存储大量的复印控制信息，因此必须考虑对一定容量 的f l a s h 存储器和s d r a m 存储器的支持。 ( 5 ) 保护系统。研究系统的可靠性，建立良好的保护系统。 ( 6 ) 可扩展性。本平台并不局限于供纸纸路方面的应用，也可以用到复印机 的其它工作部分以及其它用途。 2 1 2 技术参数 ( 1 ) 复印纸大小：研究中将复印纸的最大值置为a 3 。 ( 2 ) 复印速度：单位时间内通过供纸系统完成纸张传送的数量，系统设这一参 数为4 5 张分钟。 ( 3 ) 通讯方式：全双工。上位机和下位机信息的传送能同时进行。 7 2 2 纸路系统设计流程 根据复印机供纸系统的结构，系统设计分为5 个阶段进行：需求分析、体系 结构设计、硬件软件设计、系统集成和系统测试【l3 。各个阶段之间往往要求不 断的反复和修改，直至完成最终设计目标。其开发流程如图2 1 所示。 系统需求分析【1 4 】：确定设计任务和目标，并提炼出设计规格说明书，作为 正式设计指导的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。复 印机供纸系统的功能性需求是系统能够检测和处理传感器输出信号、完成电机驱 动并能够根据要求进行工作等；非功能需求包括复印机供纸系统的性能、成本、 功耗、体积、重量等能够达到预期的标准。 体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、 软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型。一个好的体系结构是设 计成功与否的关键。 图2 1 系统的开发流程 f i 9 2 - 1d e v e l o p i n gp r o c e s so ft h es y s t e m 硬件软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。 为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。 系统集成【”】：把设计的复印机供纸系统的软件、硬件和执行装置集成在一 起，进行联机调试，发现并改进单元设计过程中的错误。 系统测试：对设计好的供纸系统进行测试，看其是否满足复印机规格说明 书中给定的功能要求。 8 2 3 纸路系统设计 2 3 1m c u 选择 微控制器是复印机主控板的核心，以微控制器为基础设计的硬件平台是复印 机有效工作的前提。作为复印机整个系统工作的控制芯片，m c u 的选择对整个 系统其它部分的选择有很大影响。 当前m c u 具有非常多的类型，从m c u 的总线的宽度来说，有8 位机、16 位机和3 2 位机。每一种m c u 都具有很多不同功能的型号。以8 位机来说，具 备i n t e l 8 0 5l 2 内核，外面带有不同外设的m c u 就不下千种。选择复印机的m c u 主要考虑的是程序存储器的大小、类型以及是否具有i s p 功能【l6 1 ，程序存储器 应选用f l a s h 存储器，以便可以进行升级。 综上所述，研究选用以a r m 7 t d m i 1 。为内核的控制器。这种控制器具有高 性能、低成本、低功耗等优点。三星公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片，是以a r m 7 t d m i 为内核，片上集成有8 k b 缓存、2 5 v 静态a r m 7 t d m ic p u 核、扩展内存控制 器( f p f d o s d r a m 控制，片选逻辑) 、带1 个d m a 通道的l c d 控制器等【l 引， 功能齐全，价格低廉。其芯片内部集成了数字输入输出、串行通信、p w m 定时 器等功能，用于复印机供纸系统中可使电机控制电路、传感器信号检测电路软硬 件设计快捷方便，三级流水线技术的引入，使其运算速度更快，控制精确，稳定 性和抗干扰性强，所以s 3 c 4 4 b o x 是本研究选择的对象芯片。 2 3 2 系统硬件设计 系统硬件设计包括基本系统硬件设计和开发系统硬件设计。 基本系统( b a s es y s t e m ) 是复印机供纸系统整个硬件平台工作的基础和控制 核心【l9 1 ，负责软件代码的存储和指令的执行，主要由c p u ( s 3 c 4 4 b o x ) 、 s d r a m ( h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ) 、f l a s h ( h y 2 9 l v l 6 0 ) 等器件组成。其设计包括c p u 与 s d r a m 的连接和测试、c p u 与f l a s h 的连接和测试、复位电路、电源电路以及 j t a g 调试接口电路。基本系统设计质量的优劣直接决定了驱动程序的开发，嵌 入式操作系统的移植等后续工作能否顺利开展，因此该部分设计是整个平台硬件 设计的重中之重。 开发系统硬件是针对复印机供纸纸路的机械结构设计相应的控制电路，系 统中的传感器接口电路、电机驱动电路等是在基本系统基础上完成的开发系统硬 件。 整体硬件结构如图2 2 。 9 s d r a mn o r f l a s h ( 8 m )( 2 m ) j t a g 程序l 一 涮试下载r _ 1 2 路 u s 3 c a 4 b o x m a x 3 2 3 2r _ 1 l 传感器l l 复位电路ll 电源、晶振电路 速度反馈 司一 机l j jl u 驱r 1 1 机 动i l 图2 2 系统主控制器硬件平台体系结构图 f i 9 2 2h a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r eo fm a i nc o n t r o l l e r 各部分基本功能： 芯片m a x 3 2 3 2 构成的串行接口电路用于调试时程序下载； 复位电路完成系统上电复位和用户按键复位； 电源电路为5 v 到3 3 v 和5 v 到2 5 v 的d c d c 转换器，给s 3 c 4 4 b o x 及其 他需要3 3 v 和2 5 v 电源的外围电路供电； 用1 0 m h z 有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为2 0 m h z 作为微控制器的工作时钟； f l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在 系统掉电后需要保存的用户数据等； s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 s d r a m 存储器中； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可以对系统进行 调试、仿真等； 电机是静电复印机的动力源。静电复印机的动作过程，是c p u 控制电机驱 动机械元件协同动作的结果。供纸纸路装置由直流电机、步进电机及各种机械部 件组成。其中直流电机在设计中作为搓纸电机来使用，步进电机以其优越的性能 用作输纸电机。两种电机的控制参数如表2 1 和表2 2 所示。电机的速度控制是 供纸系统中的被控对象。本文选择高性能的a r m 微控制器，采用不断修正定时 器初值，从而改变定时中断脉冲频率的方法控制电机的启动和停止过程。 s 3 c 4 4 b o x 有5 个p w m 端口，用于电机控制设计简单。电机的转速用增量式光 电编码盘脉冲计数方式来测量，电路设计简单，光电编码器出来的脉冲信号经整 形电路整形后，可以把数字信号直接输入到微控制器中； 1 0 表2 1 直流电机参数表 t a b l e 2 1p a r a m e t e rt a b l eo fd cm o t o r 参数参数值 电压 额定电流( v ) 空载电流( a ) 启动电流( a ) 额定转矩( r a n h i ) 额定转速( r r a i n ) 启动转矩( r a n m ) 空载转数( r r a i n ) 表2 - 2 步进电机参数表 t a b l e 2 - 2p a r a m e t e rt a b l eo fs t e p p e rm o t o r 参数参数值 电压 额定电流( v ) 电感( m h ) 保持转矩( r a n m ) 定位转矩( r a n m ) 步距角( 度) 相数 驱动方式 2 4 2 o o 9 8 4 2 2 2 5 1 8 两相 单极性 纸路控制系统中，控制器通过对传感器信号的采集和处理，随时监控纸张的 运行状态。设置在分离区的供纸纸路传感器，采用超声波或光电器件对纸张的通 过与否进行检测，如传感器失灵就无法检测到纸张的通过情况。纸张在前进中， 当碰触传感器的小杠杆，阻断了超声波或光线，从而检测出纸张已通过，发出进 行下一步程序的指令。复印机自动检测纸盒尺寸的功能用一组微动开关来实现。 开关设在机器内，由装在纸盒上的调整块来控制。当纸盒插入纸盒台时，不同组 合的凸起调整块压下一组微动开关，将某种尺寸复印纸的信号传给控制系统，指 令操作面板显示有关尺寸。传感器的通断信号的采集通过s 3 c 4 4 b o x 芯片的i o 引脚来完成，这种a r m 芯片共有7 1 个i o 端口，选择系统暂时未用的引脚与传 感器相连，读取引脚信息就可确定复印机中纸张的型号和工作状态。 2 3 3 系统软件设计 软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和用户应用程序【2 0 1 。应 用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序与硬件的交互。基 于操作系统的软件设计将应用程序分割为若干个独立的任务，使应用程序的设计 与传统的软件设计方式相比大为简化。 对位信号供纸信号对位信号供纸信号 ， s c f wis c r vs c f w s c r v c n t rp k u p t r s r 手i塞纸需1 1 l 一k 脉冲 6 4 个脉冲 纸盒供纸需5 3 个脉冲 图2 3 供纸系统复印循环 f i 9 2 3h a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r eo fm a i nc o n t r o l l e r ) 7 ) 8 4 h ， h 4 名 m j 枷 执 姗 2 o o 3 2 3 l 4 图2 3 以佳能n p 4 0 0 0 复印机为例说明了复印机供纸系统的复印循环过程。 其中c n t r 表示的是控制回转程序；p k u p 表示的是进入复印循环到光学台前进 期间的供纸回转；s c f w 表示的是光学台前进；s c r v 表示的是光学台后退。自 动供纸和手送供纸所需脉冲个数不同。这就需要对系统的时序设计有严格的控 制。 基于s 3 4 4 b o x 的嵌入式软件系统的软件开发流程如图2 4 所示。根据任务 要求，首先用嵌入式开发软件如a d s1 2 建立工程并编辑、编译连接程序，仿真 调试通过j t a g 板下载到c p u 中去执行。a r m 芯片可以通过串口和计算机连接 通过电平转换等过程可以实现计算机监控功能。 2 4 本章小结 图2 4 软件系统开发流程图 f i 9 2 - 4t h ed e v e l o p i n gf l o wc h a r to fs o f t w a r es y s t e m 本章根据复印机供纸系统的体系结构，提出系统设计要求和技术参数，设计 本研究总的设计流程和设计方案。选择性价比较高的a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 作为 系统芯片，设计基本系统电路和开发系统电路。基本系统电路包括存储器电路、 复位电路、电源电路等系统运行必备电路。开发系统电路包括传感器检测电路和 电机驱动模块电路。根据系统工作时序，利用开发软件a d s l 2 完成系统程序和 应用程序的设计，并通过j t a g 板完成代码的调试和仿真。 1 2 3 供纸系统硬件平台设计 硬件平台是运行操作系统和上层应用软件的物质基础，设计时应遵循“够用” 原则，即能够满足系统功能需求，考虑性能、功耗和体积等要求。参考和结合多 套设计方案，选择s a m s u n g 公司的a r m 7 t d m i 系列微控制器s 3 c 4 4 b o x 作为平 台的控制核心。硬件设计主要包括电气控制系统设计、线路设计、抗干扰措施设 计等。 3 1c p u 最小系统 任何控制器在未加外围电路之前都不能进行工作，嵌入式控制器也不例外。 必须给控制器供电、加上时钟信号、提供复位信号和必要的存储器系统等，也就 是建立一个控制器工作的最小系统，以控制芯片为核心的系统才能正常运行。本 研究采用的s 3 c 4 4 b o x t 2 1 1 为16 0 个引脚的芯片，其最小系统包括供电系统、时钟 系统、调试测试接口、复位及复位配置系统以及存储系统。 3 1 1 存储器电路设计 在复印机中使用两种类型的存储器：即只读存储器( r e a do n l ym e m o r y ，r o m ) 和随机存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，r a m ) 。在r o m 中已经预先存储了诸如 来自传感器的输入信号、驱动电机、电磁离合器等复印程序。这些程序内容在设 计时已经固定，不能从外部改变。电源开关断开时存储器内容不会变更或消失。 r a m 是可以自由读取和写入的存储器。复印过程需要暂时存储的数据如复印数 量、复印倍率、复印纸规格等信号可以暂时在r a m 中存储。这些内容可以根据 需要变更或清除。 存储部分可以分成三个模块：一片l6 m b i t ，共2 m b 的f l a s h ，其采用 h y 2 9 l v l 6 0 芯片，芯片速度7 0 n s ，相当于系统的硬盘，存放操作系统、相关常 量数据和应用软件；一片1 m 16 b i t 4 b a n k s ，共8 m b 的s d r a m ，其采用 h y 5 7 v 6 4 16 2 0 ，相当于计算机系统中的内存，用来运行系统以及应用程序；一片 a t 2 4 c 0 8e e p r o m 数据存储模块，用来存放系统掉电时需要保护的程序和数据。 在设计各种类型存储器的接口之前，首先应了解s 3 c 4 4 b o x 的存储器管理系 统，该系统决定了存储器的接口特性。s 3 c 4 4 b o x 所带的扩展内存控制器的寻址 空间被划分为8 个存储空间【2 2 1 ，从b a n k 0 到b a n k 7 ，每个存储空间可达3 2 m b ， 总共可寻址2 5 6 m b ，如图3 1 所示，而且控制器对所有存储体的访问大小可编程 进行改变。其中b a n k o b a n k 5 可支持r o m 和s r a m ，而b a n k 6 、7 可支持r o m 、 s r a m 、f p a ( f a s tp a g em o d e ) r a m ( 快速页面模式随机存取存储器) 、 e d o ( e x t e n d e dd a t ao u t ) r a m ( 扩展数据输出随机存取存储器) 和s d r a m 等 存储芯片类型。另外这8 个存储空间中有7 个起始地址是固定的，只有1 个存储 空间b a n k 7 的起始地址是可以编程改变的，但b a n k 7 和b a n k 6 的地址空间必须 保持一致。由于a r m 将复位信号也作为中断来处理，复位时程序指针被设置为 0 ，使系统跳转到0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始运行程序，b a n k 0 的起始地址即为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，因此b a n k 0 所对应的存储空间必须放置程序启动r o m ，以使系统 复位时能够运行系统初始化程序及操作系统初始化程序。同时，s d r