（计算机科学与技术专业论文）基于dsp宽幅高性价比喷墨绘图仪设计与实现.pdf

d e s i g na n dr e a l i z eo fw i d ei n k je tp r i n t e rw i t hl o wc o s tb a s e do n d s p s p e c i a l t y ： q 幽丛! 丛s 堡i 曼堡曼丛亟墅堡丛q ! q 毅 m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： l i up u d u a n p r o f j i no u c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 2 839mmji川7，iiiy 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 塞l 茜聋日期：至盟年上月4 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其 它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 越盏聋 导师签名二鎏塾 日期：呈盟翌年土月卫日 摘要 随着高分辨率喷墨头技术的进步，色彩处理技术的应用和新型墨水的成 功研制，以及计算机辅助设计与计算机辅助制造的迅速发展，喷墨绘图仪得 到了越来越广泛的应用。针对当前服装设计图纸和工程设计图纸等的高分辨 率、高速度、单色打印和低成本的基本需求，提出一种基于d s p 宽幅和高性 价比的单色喷墨绘图机系统。 首先硬件设计部分介绍了喷墨绘图仪的功能模块，它主要包括喷墨主控 制器，数据通信，数据存储，喷墨头的控制，送纸和字车电机的控制。详细 分析了各个部分的主要功能和设计要求，提出了可行的实现方法，并给出了 主机控制程序的设计思想。 其次系统软件设计部分介绍了基于c y p r e s s 的智能u s b 接口芯片e z u s b f x 2 ( c y c 6 8 0 1 3 a ) 的设备程序设计，e z u s b 驱动程序设计和主机应用程序设 计。设备程序设计主要是配置u s b 设备描述符和端点描述符，设置控制寄存 器和对数据进行接收。u s b 驱动程序设计部分针对u s b 驱动添加了重启设备 c p u 和设备c p u 运行程序下载的功能和i n f 文件编写；在主机应用程序设计 中，设计了数据预处理的中分页算法，绘图过程中的坐标映射和高效率的画 直线算法，喷墨数据流数据设计格式等。 通过对整个系统的测试，结果表明在分辨率和速度两个方面基本能满足 需求，且成本较低，具有容易操作和稳定较好等优点。 关键字：喷墨绘图仪，e z u s b 驱动，区间分页算法 a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd i f f e r e n t i a t et e c h n i q u ei m p r o v e m e n t ，r e a lc o l o u rp r o c e s s i n g t e c h n i q u ea p p l i c a t i o n ，t h en e ws t y l ei n kd e s i g n ，t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t ，t h ei n k j e tp r i n t e ri sa p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y c o n s i d e r i n go ft h eb a s i cr e q u i r e m e n to fh i g hd i f f e r e n t i a t e ，f a s ts p e e d ，p r i n t i n gi n b l a c ka n dw h i t e ，a n dl o wc o s ti np r i n t i n gc l o t hc h a r ta n de n g i n e e r i n gc h a r t ，i t a d v a n c e sab r e a d t ha n dh i 曲v a l u el o wp r i c ei n k j e tp r i n ts y s t e mb a s e do nd s p f i r s t l y , t h eh a r d w a r ed e s i g np a r ti n t r o d u c e dt h ef u n c t i o nm o d u l eo fi n k j e t p r i n t e r , w h i c hi n c l u d e st h ei n k j e tp r i n t e rc o n t r o l l e r , d a t ac o m m u n i c a t i o n ，d a t a a c c e s s ，n o z z l ec o n t r o l ，e l e c t r o m o t e rc o n t r o la b o u tt h ep a p e rm o v e m e n ts y s t e ma n d n o z z l em o v e m e n ts y s t e m i tl a b o r st h em a jo rf u n c t i o na n dd e s i g nr e q u i r e m e n t ， a l s oi tb r o u g h tf o r w a r dt h ev i a b l er e a l i z e dm e t h o da n dd e s c r i b e dt h ed e s i g nw a yo f t h ec o n t r o l l e rp r o g r a m m e s e c o n d l 弘t h es o f t w a r ed e s i g np a r ti n t r o d u c e sd e v i c ep r o g r a m ，w h i c hi sb a s e d o nc y p r e s se z u s bf x 2 ( c y 6 8 013 a ) ，e z - u s bd r i v e r , a n da p p l i c a t i o np r o g r a m i nd e v i c e p r o g r a mp a r t ，t h eu s bd e s c r i p t o ra n de n d p o i n t sd e s c r i p t o r a r e c o n f i g u r e d t h er e g i s t e r so fc o n t r o la r es e t t e du p ，a n dt h ed a t ai sr e c e i v d e d i nt h e u s bd r i v e rp a r t ，t h eu s bd r i v e ri sm o d i f i e df o rd a t at r a n s p o r t a t i o n ，a n dt h ei n f f i l ei sa l s or e w r i t e d i na p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h ep a g i n a t i o na r i t h m e t i ci sg i v e nw i t h h i g he f f i c i e n c y i nt h ed a t a p r e t r e a t m e n t ，t h ew a yo fm a p p i n ga n dt h e v e c t o r - r a s t e r - c o n v e r s i o na r i t h m e t i ca r es u p p l i e d ，t h ef o r m a to fd a t as t r e a mi s d e s i g n e df o rm o r es i m p l ec o n t r 0 1 t h r o u g ht h et e s t o ft h ew h o l es y s t e m ，i ts h o w st h eg o o dp e r f o r m a n c ei n p r e c i s i o na n ds p e e d ，a n dw i t hl o wc o s t ，e a s yo p e r a t i o n ，h i g hs t a b i l i t y k e y w o r d s ：i n k j e tp r i n t ，e z u s bd r i v e r , t h ep a g i n a t i o na r i t h m e t i c i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外打印技术研究现状2 1 2 1 喷嘴排列方式2 1 2 2 墨滴的形成过程3 1 2 3 喷墨打印墨水：3 1 2 4 墨滴落点精确定位技术4 1 2 5 数据处理技术4 1 2 6 图像处理技术4 1 3 论文的主要工作和结构安排5 1 3 1 论文的主要工作5 1 3 2 论文的结构安排6 第二章u s b 协议分析7 2 1u s b 事务处理7 2 1 1u s b 事务介绍7 2 1 2o u t 事务处理8 2 2u s b 数据传输类型8 2 2 1u s b 数据传输8 2 2 2 块传输9 2 2 3 控制传输事务1 0 2 3u s b 设备配置1 0 2 3 1u s b 的描述符1 0 2 3 2 设备描述符1 1 2 3 3 端点描述符1 i 2 3 4 设备限定描述符1 2 2 4u s b 设备请求1 2 2 4 1u s b 设备请求概述1 2 2 4 2u s b 设备请求格式1 3 2 5 本章小结1 3 第三章喷墨绘图仪硬件部分设计1 4 i i i 3 1 绘图机总体设计框图1 4 3 2 喷墨主控制器的设计1 4 3 3 喷墨模块设计1 6 3 3 1 喷墨头的选择1 6 3 3 2 喷墨头的排列方式1 6 3 3 3 喷墨数据的发送1 7 3 3 4 墨滴的精确定位问题1 8 3 4 主机与喷墨绘图控制器的数据通信模块设计1 9 3 4 1 主机与喷墨绘图仪的通讯速率1 9 3 4 2c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片介绍1 9 3 5 数据缓存模块设计2 0 3 6 字车运动和送纸电机控制模块设计2 2 3 6 1 直流p 1 】l m 伺服控制技术2 2 3 6 2 直流p w m 伺服电机的p w m 驱动控制的实现2 2 3 6 3 字车运动和送纸电机控制详细设计2 4 3 7 喷墨绘图主控制程序流程2 5 3 8 喷墨绘图主控制程序中的设置参数2 6 3 9 本章小结2 8 第四章喷墨绘图仪软件设计2 9 4 1 设备运行程序设计2 9 4 1 1 设备程序设计框架2 9 4 1 2 设备程序详细设计3 1 4 2u s b 设备驱动程序设计3 2 4 2 1u s b 设备驱动介绍3 2 4 2 2e z u s b 驱动程序3 3 4 2 3e z - u s b 驱动程序的加载3 4 4 3 主机应用程序设计3 4 4 3 1 数据预处理3 5 4 3 2 坐标转换3 6 4 3 2 数据解析3 7 4 3 3 墨盒喷墨的控制信息获取3 9 4 3 4 高分辨率的打印设计方法4 3 4 4 本章小结4 3 i v 第五章局部测试和整体调试4 4 5 1 局部测试4 4 5 1 1 喷墨绘图仪主控制器测试4 4 5 1 2 设备程序测试4 4 5 1 3e z u s b 驱动和主机应用程序测试4 6 5 2 整体调试4 6 5 3 本章小结，4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 论文总结4 9 6 2 论文不足和继续研究部分4 9 6 3 喷墨绘图技术发展前景5 0 参考文献5 1 致谢5 4 攻读硕士期间主要的研究成果5 5 v 硕士生论文第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 人类发明文字以来，手写介质从石壁、竹简到纸张，为人类文明传播起了相当重要的 作用。但是手写费时，费事，又容易抄错，印刷术作为一种方便灵活，相对省时省力方法 诞生，能够成批量印刷相同的文字，印刷术出现减少了因手抄本数量有限而传播范围有限 和容易失传的可能性，特别是毕生发明活字印刷技术，它采用胶泥活字，类似现在字库， 印刷效率空前提高，先进文化传播更加广泛，也使得更多人相互参与交流，更进一步促进 了科学技术的发展。直至近代1 9 世纪，油印技术的出现，至此印刷技术更加普遍，在社 会中运用范围开始广泛起来，呈现向其他行业发展趋势。 上个世纪六十年代初喷墨打印技术就已经被提出来，它的基本思想是通过某种装置产 生足够小的墨滴，根据图形、图像和字符等需要显示的部分，把墨滴喷到某种介质上。虽 然它的基本思想比较简单，但是实现技术比较复杂，例如如何生产足够小的墨滴，如何使 墨滴的墨水具有较好的抗腐蚀和扩张性等。2 0 世纪七十年代中期，采用彩电中电子发射原 理，m m 制造了第一台具有应用价值的喷墨打印机。同一时候，压电式墨点控制技术在西 门子诞生。2 0 世纪七十年代末，气泡式喷墨技术问世。2 0 世纪八十年代初，佳能公司将 其气泡喷墨技术应用到其喷墨打印机，从此开始了喷墨打印机的历史。 随着喷墨打印技术的迅速发展，喷墨技术应用越来越广泛。最新的喷墨打印技术科技 成果在瓷砖打印、平板显示、显微注射、微电子、医疗、太阳电池制造和生物技术等领域 上发挥着重要作用【l - 3 】。 在瓷砖打印【4 卅领域，可以实现多角度、高致密性上釉，完全呈现瓷砖立体造面设计效 果，使瓷砖图案宛如相片之美。在平板显示领域也有很广泛的应用r 7 1 。在显微注射技术领 域可以用于控制喷气式发动机燃烧舱内的物质混合嘲。在微电子领域，利用打印技术来形 成细微的电路与传统的光刻掩膜法相比，喷墨法非常适合少量、多品种的制造工作，而且 打印法可以一次性在柔性薄膜上形成微电路。在医疗领域，2 0 0 7 年，喷墨注射器问世，它 是一种微贴片药剂注入系统，能够按需注入药的品种和数量，且让病人感觉不到一般针头 注射的疼痛。在太阳电池制造领域，由于喷墨打印工艺使用，使得太阳电池制造削减近一 半的硅使用量，促进了成本的节约，并且更加精确，所用材料更少，提高了生产效率。在 生物工程领域上，喷墨技术可以通过高精度的微小墨滴进行d n a 合成【9 】；现在科学家们已 经使用喷墨盒“打印”出精确模式的干细胞，他们还在尝试探索打印细胞三维结构的途径， 如图1 1 。这项研究成梨1 0 】发表在出版的自然杂志上。 硕士生论文 第一章绪论 图1 - i 新型喷墨机打印三维的细胞 总得来说，随着打印机技术迅猛发展，其应用越来越广泛，从当初办公打印文件需求， 到现在开始用于生物技术等领域上。本文考虑主要从分辨率、速度、成本和稳定性出发设 计一种基于d s p 的宽幅高性比的单色喷墨绘图仪，以满足服装行业打样和工程图纸等绘制 需求。 1 2 国内外打印技术研究现状 从喷墨打印技术提出到现在经历了半个世纪，其主要成果都是在国外，以爱普生 ( e p s o n ) ，惠普( h p ) ，佳能( c a n o n ) 三家公司设计产品【1 1 躬1 为代表。而国内喷墨打印 技术还在处于追赶阶段，方正电子作为国内第一家自主研发喷墨数码印刷技术的提供商， 国内的喷墨打印核心部件和技术，如喷头、喷头驱动控制技术、高速图像传输处理技术、 高精度伺服控制技术等都依赖进1 ：3 。在宽幅打印机方面，国内外研究一般集中下面的几个 方面： 1 2 1 喷嘴排列方式 喷墨打印技术上一个重要指标是分辨率，分辨率越高，图像更加清晰和流畅，色彩层 次更加丰富，因而更加逼真。而提高分辨率的一个最直接的方法是提高喷墨头的分辨率， 而喷墨头的分辨率提高依赖于单位长度上喷嘴的数量，喷嘴的在单位长度的数量越多，其 喷墨头的分别率就越高，反之则反。单位长度的喷嘴数目受到工艺水平的制约，两个相邻 的喷嘴间距不能保证足够小，且控制电路更加复杂。另外在喷嘴间距小的同时，减小喷嘴 直径的话，这样对墨水某些性质要求更高，喷墨的墨滴形成也会受到影响。考虑上面制约 因素，常用的方法是改变喷嘴排列方式，现在的喷嘴由以前- n 直线排列，到现在两列交 错排列，以及多列交错排列，图1 2 为3 列喷嘴交错排列方式，这种方法能够较方便成倍 提高分辨率，只需不同列的喷墨延时喷墨就能实现。 2 硕士生论文 第一章绪论 1 2 2 墨滴的形成过程 图1 - 2 三列喷嘴交错排列方式 喷墨技术上要求墨滴的大小应该低于人眼对墨滴的分辨率极限1 微微升，并且打印出 的精微墨滴分布均匀。采用较小的墨滴进行喷墨时，它的速度和方向以及大小都容易受到 墨水的物理性质和化学性质的影响。在喷射的瞬间，不但不同喷嘴喷射的墨滴大小和方向 不同，同一喷嘴喷射墨滴的大小和方向也不尽相同。通过控制喷嘴的加温加电过程【1 4 1 ，进 一步减小墨滴直径，实现更高的分辨率。对于压电喷头，每个喷嘴装有两个不同尺寸的加 热器【l5 。，通过两个宽度和长度不同的脉冲分别控制两个加热器是否加热和加热程度，使得 每个喷嘴能够同时或者分别喷射大小不同的墨滴。对于只有一个加热器件的喷嘴【幡1 7 】，则 把一个驱动信号分成4 个脉冲宽度，前三个脉冲为驱动脉冲，第4 个脉冲为非打印脉冲， 通过调控每个脉冲的宽度，实现预加热、加热、喷射和停止四个过程的时间长度调节，从 而有效控制墨滴的大小和喷射时间，实现持续的高画质打印。 1 2 3 喷墨打印墨水 墨水的性质不仅决定了打印图像质量而且决定了墨滴的喷射特性以及打印系统的可 靠性，例如墨水的导电性对压电式喷墨头影响较大，而墨水物理化学稳定性、发泡性质和 纯度对热泡式喷墨头影响较大，其它还有粘度、表面张力和p h 值等性质都对墨滴形成的 大小等有重要的影响。特别是陶瓷墨水的性能要求除上述性质以外，要求色剂在长时间内 具有较强的稳定性，不容易被腐蚀、分解以及在溶剂中出现沉淀，能够保证长时问不褪色， 不掉落的特点。色料颗粒要求在打印过程中能够以最快的速度附在陶瓷上，而许多陶瓷制 品需要在某些高温条件下使用，这就要求这些色料不会发生化学反应，不会生产有害的物 硕士生论文 第一章绪论 质，也不会出现变形的现象。 1 2 4 墨滴落点精确定位技术 墨滴精确定位不仅影响图形和图像的效果，还决定了图形和图像的相对位置是否到达 精度要求。墨滴的精确定位除了与墨滴本身性质，如大小、张力和打印介质吸收等，有关 以外，还与墨滴运动有关系。墨滴运动方向包括两个方面，一个是初速度不为零且受到空 气阻力水平的减速运动，另一个是初速度不为零且受重力和空气阻力的竖直向下加速运 动。一般通过控制喷墨时刻和喷射速度，补偿墨滴惯性运动导致的落点偏差，使墨点精确 定位于打印介质。在控制方法上【1 9 埘】，为了实现墨滴精确定位，可以在喷墨头未到达指定 的位置的时候，提前给出喷墨数据，让它提前喷墨，让喷墨的墨滴经过水平运动后掉落在 应该的出现位置上，提前喷墨控制时间由墨滴初始速，空气阻力和喷墨嘴到介质的距离来 决定。此外，采用多脉冲控制喷墨技术【2 2 1 ，通过控制喷射时间和时间长度也可以有效的控 制墨滴落点，实现墨滴的精度确定。 1 2 5 数据处理技术 打印宽幅面的，彩色的，高分辨率的图形和图像必定对数据处理，数据传输的速度提 出了更高要求。如何高速、高效地传输绘图数据成为该领域有一个研究热点。惠普公司的 “富丽图”喷墨打印技术，不但能够增强打印效果，还能使从主机发送给打印机的数据量大 大减少，从而使打印速度极大地提高，这些都归功于其采用了比较优秀的算法设计。佳能 的l - c o a 技术采用了高度集成的方法，它为了减少电路之间的延时，提高在各个部分之 间的数据传送的快速性和正确性，将图像处理和高速高速引擎控制等多个处理单元集成到 一个单片中，从而实现了绘图效果与打印速度的都有提升。 1 2 6 图像处理技术 由于存取在文件的图像和图形通常是以惠普指令描述出来，一般不能直接通过绘图仪 打印出来，所以必须要经过图像和图形处理过程，才能转换为打印机可以打印的格式文件， 如经过光栅图像处理( r i p ) ，矢量转点阵处理。爱普生采用了独创的精细图像半色调调整技 术( a c u p h o t o h a l f i o n i n g ) 和自然色彩还原技术等；惠普公司采用了色彩分层技术、富丽图p r o 色彩分层技术和c o l o r s m a r ti i 技术等；佳能公司采用了多重色控技术( p h o t or e a l i s m ) 等。 这些新技术不但能提高打印的精度，还能增加打印图像的色彩表现力。国内现在也有一些 公司在做这方面研究，如蒙泰公司。 4 硕士生论文 第一章绪论 1 3 论文的主要工作和结构安排 论文选题来自去年公司实习的一个项目，该项目的目的设计一种结构相对简单，成本 较低( 1 万人民币范围内) ，分辨率能达到6 0 0 宰6 0 0 d p i 单色喷墨绘图仪，利用其喷墨绘图仪 打印速度快，精度较高，打印介质要求较低的优点逐步淘汰笔试绘图仪，满足服装市场需 求和工程部分图纸等市场打印需要。 1 3 1 论文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 研究与设计多喷墨头并行工作的数据处理，以及墨滴定位的方法。 为了提高绘图速度，需要采用多个喷墨头并行工作。多个喷墨头一起工作必须解决好 喷墨头的安装定位、喷墨头的数据发送格式和喷墨控制问题，还有墨滴的精确定位。 ( 2 ) 研究与设计主机与喷墨绘图仪通信，数据缓存的方法。 为了提高绘图速度和喷墨过程中不会出现断墨的现象，除了要求较强数据处理能力外， 还要求较强的数据通信能力和适当的数据缓存，因此必须解决好以下问题：选择合适芯片， 设计合理通信方式保证数据传输速度和简单操作，设计合理的数据缓存方法，控制好缓存 和向喷头发送数据之间的关系。 ( 3 ) 研究与设计字车电机和送纸电机系统的控制系统，保证足够提高的精度。 字车电机主要用于控制字车，而字车上固定着喷墨头，字节主要作用是使喷墨头运动 适当的位置进行喷墨，这个位置定位关系到喷墨效果好坏，其速度一定要保证匀速，否则 墨点会出现疏密不一样的情况，同样也是分辨率得到保证的前提。送纸电机主要控制进多 少长度的纸，一般由喷墨头个数决定，因为一个喷墨头打印长度是固定的，它也影响图形 的效果。总之它们控制精度要比较高，并且能够进行反馈调节，特别是字车上面还要有光 栅检测系统，它主要用于检测喷墨位置，并告诉主控制器可以实行喷墨。 ( 4 ) 研究喷墨主控制器的功能，协调好各个部分一起完成喷墨工作。 分析喷墨主控制器的功能和描述各个部分一起喷墨的流程，选择合适d s p , 设计较合理 电路结构和主机控制程序。 ( 5 ) 设计合理主机应用程序，简化喷墨主控制器设计，协同主控制器一起完成绘图工作。 大幅面绘图一般采用矢量绘图方式，研究出一个高效的v r c 算法，而这个算法要能够 在主机上实现。还要考虑存储器限制，喷墨绘图实施过程中不能一次将整个文档解析后再 发送，应该采用边解析边发送的方法。另外还要设计设备程序和e z u s b 驱动。 硕士生论文 第一章绪论 1 3 2 论文的结构安排 第一章绪论。简要介绍课题研究背景和意义，国内外喷墨绘图技术现状、发展趋势， 以及本文所作的主要工作。 第二章u s b 协议分析。介绍了u s b 事务处理、u s b 数据通信、u s b 设备配置等，并 且根据设计所需进行设计。 第三章喷墨绘图仪硬件部分设计。主要介绍喷墨绘图仪的功能结构，针对其功能分析 了喷头驱动模块、主机与喷墨绘图仪控制器通信模块、数据缓存模块、字车运动和送纸电 机驱动模块设计、喷墨绘图仪主控器选择。 第四章喷墨绘图仪软件部分设计。主要介绍了设备程序设计、e z u s b 驱动设计和主 机应用程序设计，在主机应用程序中主要介绍了二维线段截取、矢量图形点阵化和发送数 据格式设计等。 第五章局部测试和整体调试。局部测试主要针对喷墨绘图仪控制，设备程序和主机应 问题及喷墨技术的 硕士生论文 第二章u s b 协议分析 第二章u s b 协议分析 u s b 是一种支持即插即用的串行接口，它使用差分信号进行数据传输，最高速度可达 4 8 0 m b s 。采用u s b 接口数据传输与串口接口相比具有速度较快，且电缆长度不会受到限 制( 延时受限除外) ，与并行接1 3 相比，u s b 接头只有4 根线( v t 膦，g n d ，d + ，d ) 【2 3 1 ，且电缆长 度不受限制( 延时受限除外) 的优点，它还具有一般接1 3 不支持的热插拔的功能，因此选取 了u s b 进行数据发送。本次设计中，接收数据是通过设备程序控制的，而设备程序设计时 需要对u s b 的描述符进行配置和端点进行配置等。另外数据的传输是通过u s b 驱动实现 的，而u s b 驱动修改需要了解u s b 事务处理。总之，这里有必要先介绍u s b 的部分协议。 2 1u s b 事务处理 2 1 1u s b 事务介绍 u s b 事务处理是主机和u s b 设备之间数据通信的基本单位，一个事务处理分为三个 阶段：令牌阶段、数据阶段和握手阶段。图2 1 为事务处理过程。 令牌阶段：表示事务处理的开始，并定义传输类型。 数据阶段：负责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。 握手阶段：报告事务处理的状态，表明数据接收是否成功。 图2 1 典型的事务处理过程 u s b 采用的“令牌包”“数据包9 96 ( , 握手包”传输机制，令牌包中指定数据包去向或者来 源设备地址和端点，这样对于广播的数据包或者令牌包只有一个设备进行相应，类似局域 网中计算机。在传送数据包的时候，在任何时刻只允许一个数据包传送。 u s b 数据传输由一些字段组成，它们是同步字段域( s y n o ，封包标识字段域( p i d ) ， 地址字段( a d d r ) ，端点字段( e n d p ) ，数据字段，c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s ) 字段。 封包标识字段域有一个字节组成，根据第0 个b i t 位和第1 个b i t 位设置不同，可以分 7 硕士生论文第二章u s b 协议分析 为令牌包，握手包，数据包，特殊包；根据第2 个b i t 位和3 个b i t 位设置不同，针对不同 的包有不同含义。例如p i d 3 ：0 = 0 0 1 1 b ，表示d a t a 0p i d ，此数据包为偶数包。 p i d 7 ：4 表示是校验字段。其中令牌包包括i n ，o u t ，s e t u p ，s p l i t 等7 种令牌包。 地址字段长度为7 位，这就是为什么只能接1 2 7 设备的原因，其中地址0 为是主机还 没分配地址时，进行访问的默认地址。 2 1 2o u t 事务处理 本次设计中大量的数据传送是从h o s t 到d e v i c e ，这里将较详细的介绍o u t 事务处理， 一个完整的o u t 事务处理如图2 2 所示。 u s b = # 机发送o t r r 4 浦包 叵丑互 u s b 主机发送数据包 u s b 设备确认信息 叵丑互 图2 - 2 完整的o u t 事务处理 在u s b 主机和u s b 设备进行数据传输，难免出现错误，对各种错误出现，u s b 协议 处理的方法如下描述： ( 1 ) 当o u t 包在传输过程中被损坏，如碰撞，u s b 设备接收不到正确o u t 包，u s b 设备忽略该包，并且不回答。 ( 2 ) u s b 接收正确的o u t 包后，但是传送给u s b 设备数据包不对，u s b 设备忽略该 包，并且不回答。 ( 3 ) u s b 接收正确的o u t 包后，但是u s b 设备端点停止，u s b 设备将发送s t a l l 包。 ( 4 ) u s b 接收正确的o u t 包后，但是u s b 设备由于某种原因无法继续接收数据，u s b 设备将发送n a k 包。 ( 5 ) u s b 数据触发位和接收到的数据不一样，则u s b 设备将丢弃，认为是重复的，返 回a c k 包。 2 2u s b 数据传输类型 2 2 1u s b 数据传输 当u s b 设备连接到u s b 总线以后，u s b 设备便可以和u s b 主机进行通信。在通信 过程中，自上而下需要涉及4 个部分，分别为：主机软件，u s b 总线驱动程序，u s b 主控 制器驱动程序，u s b 功能设备。u s b 功能设备和u s b 主机软件之间的通信需要这几个部 分的分工支持。这里以主机软件向外部u s b 设备发送数据为例介绍整个数据传输流程。若 u s b 功能设备向u s b 主机软件发送数据，如数据采集，其流程与上述过程相反。 8 硕士生论文 第二章u s b 协议分析 ( 1 ) 主机软件将数据保存在发送数据缓冲区中，向u s b 总线驱动程序发送数据传输请 求，即i o 请求包( i r p ) 。 ( 2 ) u s b 总线驱动程序对主机软件的i o 请求包进行响应。将其中的数据转化为u s b 协议中规定的事务处理格式，并向下传递给u s b 主控制器驱动程序。 ( 3 ) u s b 的主控制器驱动程序将每个事务处理转化为一系列帧d , 帧为单位的事务处 理队列。这样处理是为满足u s b 传输协议的要求，并保证传输部超过u s b 的带宽。 ( 4 ) 在u s b 主控制器中，读取事务列表，将其中的事物处理以信息包的形式发送到u s b 总线上。可以用块传输、中断传输、同步传输和控制传输4 种传输方式，同时，也可以选 择低速、全速和高速3 种传输速率进行传输。 ( 5 ) u s b 功能设备接收信息。u s b 的s i e 引擎自动解码信息包，并将数据保存在指定的 端点缓冲区，供u s b 进行处理。 在u s b 协议中定义了4 种u s b 传输类型：控制传输、块传输、中断传输和同步传输。 这四种数据传输类型在传输数据量的大小、传输速率的高低以及同步要求有各自的特点。 2 2 2 块传输 数据通信部分主要采用了块( b u l k ) 传输，这里主要介绍块( b u l k ) 传输，它包括i n 事务 和o u t 事务，是非周期的大量突发数据的通信。它是一种可靠的单向传输，但是不保证 带宽或同步时间。批量传输的优先级相对于其他传输的优先级最低，因此只有带宽有多的 时候才允许批量传输，因此适合对时间要求不严格，但是数据量较大的设计，如打印机、 扫描仪和u 盘之类的设备设计。图2 3 为b u l k 传输。 图2 - 3b u l k 传输 块( b u l k ) 事务传输分为三部分：第一部分是由h o s t 端发出一个b u l k 令牌请求。第二步 是数据传输阶段，根据先前请求的令牌类型，数据传输有i n 或者o u t 类型，传输数据的 时候用d a t a 0 和d a t a l 令牌携带着数据交替传送。第三部分是握手信号，握手信号a c k 9 硕士生论文 第二章u s b 协议分析 表示正常响应，n a k 表示没有正确传送，s t a l l 表示主机不可预知错误。 2 2 3 控制传输事务 摔制事务负责向u s b 设置一些控制信息，传送这种事务的管道是控制管道。控制管道 在u s b 设备中是必须用到的。控制传输也有令牌阶段，数据传送阶段、握手阶段。图2 _ 4 为摔制事务传输。 2 3u s b 设备配置 图2 4 控制事务 在u s b 协议中，将u s b 设备作为一个配置、端点、和接口的集合。一般采用u s b 描 述符对该u s b 设备的功能进行描述。u s b 主机通过读取这些描述符来使该u s b 功能设备 执行相应的功能，以及产品信息。 2 3 1u s b 的描述符 在u s b 协议中，u s b 设备采用标准的u s b 描述符进行说明。这些描述符包括设备描 述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符、设备限定描述符和其他速 率配置描述符，其中设备限定描述符和其他速率配置描述符用于高速u s b 设备。标准的 u s b 描述符的类型值，如表2 1 所示。 表2 - 1 标准u s b 描述符的类型值 l o u s b 协议分析 d bl d b2 d b0 d b1 数据包 v e n d o r i d 和p r o d u c t i d 的设置应该与设备驱动程序中重新列举设备后的v e n d o r i d 和 p r o d u c t i d 一致，它是关系重新列举能驱动能否识别设备。 2 3 3 端点描述符 在u s b 协议中，端点描述符( e n d p o i n t ) 用于u s b 设备端点的特性，包括其所支持的传 输类型、传输方向等信息。u s b 中规定，端点0 没有端点描述符，其余端点必须包含端点 描述符。接口描述符由6 个字段组成，长度固定7 个字节。下面为本次设备程序对u s b 进行的数据传输的端点2 的描述符，采用汇编形式描述。 端点2 描述符如下： e n d p o i n td e s c r i p t o r d bd s c re n d p n tl e n 规定0 7 h 字节 硕士生论文 第二章u s b 协议分析 d bd s c re n d p n t d b0 2 h d be tb u l k d bo o h d b0 2 h d b0 0 h 2 3 4 设备限定描述符 规定0 5 h 端点为2 号、o u t 类型数据 b u l k 传输类型 数据包大小为5 1 2 k 访问间隔 在高速u s b 系统中，如果u s b 设备既需要采用高速传输又要全速传输，则它必须支 持设备限定描述符( d e v i c e _ q u a l i f i e r ) ，设备限定描述符用以指出另一传输速率下该设备的 总体信息。设备限定描述符由9 个字段组成，长度固定1 0 个字节。下面为本次设备程序 对u s b 进行的数据传输的端点2 的描述符，采用汇编形式描述。 d e v i c e q u a l d s c r ： d b d s c r _ d e v q u a l _ l e n描述符的长度( 0 a h 字节) d b d s c r _ d e v q u a l描述符类型( 0 6 h ) d w0 0 0 2 hu s b 规范版本号 d b0 0 h 类代码 d b0 0 h 子类代码 d b o o h 协议代码 d b6 4 端点0 支持最大数据包长度 d b1所支持的配置数 d b0 保留 2 4u s b 设备请求 u s b 功能设备的产品信息和能力在u s b 描述符中进行了定义。在u s b 协议中，使用 u s b 设备请求对这些描述符进行读取和写操作。这些设备请求包括标准的设备请求和自定 义请求两种。 2 4 1u s b 设备请求概述 在u s b 协议中，主机对u s b 设备的各种配置操作是通过设备请求实现的。u s b 中定 义了1 1 种标准的u s b 设备请求。除了这些标准请求，u s b 协议中允许使用自定义的请求。 从协议u s b 中可以知道u s b 请求号从0 0 h o c h 都已经有专门定义了，如请求号为0 7 h ， 1 2 硕士生论文 第二章u s b 协议分析 表示更新已有的描述符或添加新的描述符，而请求号为0 0 h ，表示读取u s b 设备、接口或 端点的状态。 2 4 2u s b 设备请求格式 u s b 的请求是通过控制管道传输的，请求是8 个字节，其请求格式包括第1 个字节的 请求设置：包括对数据传送方向( o 表示h o s t 到d e v i c e ，1 表示d e v i c e 到h o s t ) ，接收者( 0 表 示设备请求，i 表示对接口请求，2 表示对端点请求，3 表示对其他请求) ；第2 个字节的 请求类别，它包括u s b 协议中定义的1 0 个标准请求；第3 - 6 个字节对不同的第2 个字节 设置有不同的作用，第7 8 字节表示要求多少个字节的数据返回。 2 5 本章小结 本章简单介绍了u s b 协议中事务介绍，数据传输中采用了o u t 类型，着重分析o u t 类型事务。在u s b 数据传输时候采用了块传输，这里对块传输也进行了详细的介绍。由于 在设备程序设计中，用到u s b 设备和u s b 端点，同样这里对u s b 设备和u s b 端点描述 符进行了描述。最后介绍了u s b 请求格式，u s b 请求将在设备程序下载中用到。 硕 = 生论文第三章喷墨绘图仪硬件部分设计 第三章喷墨绘图仪硬件部分设计 本课题要求设计一台实绘图宽度1 8 米、分辨率为6 0 0 * 6 0 0 d p i ，4 个喷头的喷墨速度 最大可以达到9 0 m 2 h 以上的宽幅单色喷墨绘图机。本章将讨论喷墨绘图仪硬件部分设计。 3 1 绘图机总体设计框图 喷墨绘图仪总体功能框图如图3 1 所示，主要包括七部分：上位机，人机界面，数据 通信接口，数据存储器，字车运动和送纸电机控制器，喷墨头驱动控制电路和绘图仪主控 制器。上位机( p c ) 负责图形格式转换、矢量图形的点阵化，并且将转换好的点阵数据流 发送到下位机，并接受下位机反馈信息反映绘图机执行状态和错误信息提示；人机界面主 要实施对绘图仪的具体操作，如归位、测试喷头、暂停，以及绘图仪的状态；字车电机控 制喷墨头运动，送纸电机控制控制送纸长度；数据通信接口负责向上或向下传送数据；数 据存储器存取数据流；喷头驱动控制电路【2 4 】主要指喷墨头设计电路，负责接收喷墨数据， 控制喷墨；绘图仪主控制器主要是接收外来信息，转发到相应的执行单位以及反馈信息并做 适当处理。 3