（电路与系统专业论文）嵌入式喷印系统的设计和实现.pdf

硕士学位论文 摘要 随着条码，标识技术的迅速发展和广泛应用，人们对条码、标识印制的质量、 速度、效益的要求也日益提高。比如对小批量、多批次、信息内容需要经常变化 的条的印制，如果用制胶片印刷的方式，则成本相对较高，不经济，如果用条码 打印机打印条码标签然后再粘贴的方式，则速度慢且烦锁。喷码技术以其非接触 特性、丰富的标注功能以及可靠的喷印质量得到了广泛的应用。本文研究和设计 了用于工业包装行业的按需喷印系统。 论文调查了喷印技术的现状，分析了当前市场上的喷印技术以及各种不同喷 印技术之间的优势和劣势；并预测了喷印技术的发展趋势；通过喷印技术在国内 和国际市场上的发展比较，以及国内市场现状的分析，发现国内目前的喷印技术 水平落后，在按需喷印技术上严重依赖国外品牌。因此，在掌握喷印的基本工作 原理和x j l 2 8 喷头特性的基础上，给出了一种按需喷印系统的设计方案，并分 析了提高喷印图像d p i 的方法。根据工业包装行业对喷印系统的基本性能需求， 给出了喷印系统具体的设计，详细说明了各模块硬件设计思路和软件设计方法， 给出设备界面的结构和部分程序流程图，最后对设备样机功能进行了测试。 本课题研究并实现了适用于工业包装生产流水线上的喷印系统，测试结果表 明系统运行稳定，基本实现了所设计的功能。 关键词：嵌入式系统；按需喷墨；喷墨喷头；d p i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , m o r ea n dm o r ei d e n t i f i c a t i o nc o d ei s u s e d p e o p l en e e dh i g h - q u a l i t ys i g no ri d e n t i f i c a t i o nc o d ew h i c hi su s e dt om a r kd i f f e r e n t p r o d u c t t h eo l dm e t h o dw h i c hu s e sf i l mt op r i n ti se x p e n s i v e ，a n da n o t h e rm e t h o d w h i c hu s e sp r i n t e rt op r i n tb a rc o d ea n dt h e np a s t ei t ，i s t o os l o wa n df u s s y t h e u n - t o u c hp r i n tt e c h n o l o g yc a ns o l v et h e s ep r o b l e m sw e l l t h i sp a p e rs t u d i e s a n d d e s i g n st h eu n - t o u c h ，p r i n to n - d e m a n ds y s t e m m 一 一 lh ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ep r e s e n td e v e l o p m e n to ft h ep r i n t t e c h n o l o g y , a n a l y s e s t h ea d v a n t a g eo ft h ed i f f e r e n tt e c h n i q u ea n df o r e c a s t st h e p r o g r e s so ft h ep r i n t t e c h n i q u e c o m p a r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ea b o a r d ，i ti so b v i o u s l yt h a tt h ei n t e r n a l t e c h n o l o g yf a l lb e h i n d ，a n dt h ep r o d u c tm a d ei na b o a r dt a k eu pt h ei n t e r n a lm a r k e t i nt h i ss i t u a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ex j12 8p r i n t h e a d sc h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g n sa p r i n to n - d e m a n ds y s t e ma n ds t u d i e sh o wt oi m p r o v et h ei m a g e sd p i b a s e do nt h e f u n c t i o nr e q u i r e m e n to f p r i n ts y s t e m ，i nt h ep a p e r ，i te x p o u n d st h ew a yt od e s i g nt h e s y s t e m ，a n di l l u s t r a t e st h em e t h o dt or e a l i z et h em o d u l e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e nl a y so u tp a r t so ft h ep r o c e d u r e sf l o w c h a r t a tl a s t i tt e s t st h ef u n c t i o no ft h e p r i n ts y s t e m t h et h e s i ss t u d i e sa n dr e a l i z e st h ep r i n ts y s t e mw h i c h a d a p t st ot h ei n d u s t r v t h e t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n dr e a l i z e st h ed e s i g n e df u n c t i o n k e yw o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ；d r o po n d e m a n d ；p r i n t h e a d ；d p i i i i 第1 章绪论 1 1 喷印技术的现状和发展 随着条码技术的迅速发展和广泛应用，人们对条码印制的质量、速度、效益 的要求也日益提高。比如对小批量、多批次、信息内容需要经常变化的条的印制， 如果用制胶片印刷的方式，则成本相对较高，不经济，如果用条码打印机打印条 码标签然后再粘贴的方式，则速度慢且烦锁，如何解决这一问题? 喷码技术应运 而生，并随着市场需要的发展而迅速发展，应用领域日益广泛，效益明显。 喷码技术应用对象目前主要分为两大类。一类是产品的包装，主要分布在食 品、饮料、酒类及医药等行业【l 】：另一类是产品本身，即在产品上标注其规格型 号等，使其成为产品本身的一部分内容，主要分布在电线电缆、建筑材料、电子 产品和商务印刷等行业。而且为了适应t l 动化管理的流水线快速不停顿生产的要 求，连续自动喷墨编码技术也日益成熟和广为应用。在欧洲，喷码技术应用市场 8 0 年代保持了3 0 4 0 的年均增长率，进入9 0 年代，依然保持着每年1 5 5 0 的高速发展水平，未来前景非常看好。 目前，中国消费者的产品质量意识越来越强，对产品信息的标注和要求也越 来越高，政府和有关部门也不断出台新的法律法规，对此进行严格的规范和管理； 国际上看，各国法律都规定食品行业、制药行业和一些精细化工行业的生产商必 须在其产品或外包装上注明“生产日期”、“保质期”或“产品批号”1 2 j 。由于喷印机 非接触喷印的特点，较为合适在各种不规则的产品外表上进行喷印，并且无需手 工操作，自动化程度高，非常适合自动化流水线的生产方式，因而成为各行业生 产商进行产品标注的首选方式；此外，采用防伪荧光墨水还能为商品喷印防伪标 口0 1 4 1 盱l o 企业本身的质量管理和自我保护意识以及自动化管理水平也在不断提高，利 用喷码技术进行产品质量控制和跟踪、加强销售渠道管理和仓储管理等的业务也 越来越多。喷码技术以其在条码印制方面使用灵活、效率高、成本低的优点对提 高企业和产品的形象、促进产品销售、提高工作效率、增加经济效益均起到了很 大作用，因而其应用范围正飞速地发展，应用领域也日益随着人们环保意识的不 断增强拓广，对墨水的安全性和低污染性的要求越来越高，尤其是要将条码直接 喷印在一些食品，例如水果、鸡蛋等上面时，更是如此，这也为绿色环保墨水的 应用发展提出了新的要求，开拓了广阔的市场【5 1 。中国已加入w t o ，随着进出 口贸易规模的不断扩大，客观上要求中国商品标识及识别技术与国际标准接轨， 条码技术的应用日益广泛和普及，因为只有基于条码技术的自动化管理才是解决 商品大量进出快速周转的有效途径。提高条码印刷速度、效益，灵活的喷码技术 嵌入式喷印系统的设计与实现 也将拥有更加广阔的发展空间。 1 1 1 喷印技术的发展 喷墨喷印技术经历较长时间的发展，产生了许多喷墨技术。 一、阀门式喷印技术 这种方法是最易实现的。在过去2 0 年中，主要用在外包装箱喷印。阀门喷 印装置包括：低压油墨系统、电子控制机箱和用软性导管与机箱相连的喷头。油 墨系统中的油墨经过简单的开合阀门被送到喷头中的喷嘴中( 一个喷头一般有 7 到1 8 个直径2 0 0 微米的喷嘴或更多) 。当一个油墨滴需要被喷出时，电子元 件打开相应的开合阀，油墨滴就被喷射出来。由于机械结构简单，阀门式喷印 系统比较易于建立。 阀门式喷印的喷印质量不稳定。这是由于油墨在被射出之前一直停留在喷嘴 里，如果油墨在管道中干了，就会产生阻塞。系统使用水基油墨在渗透性表面上 喷印时效果最好。许多阀门式喷印系统制造商生产干燥速度快于水基油墨的非渗 透性表面用油墨，这时阻塞便时会发生：干燥时间也仍然颇长，大约需1 5 3 0 秒。如果对喷印质量要求不高和经常清洗喷头，阀门式喷印系统喷印可保持效果 良好。虽然购置成本较低，但一两年后阀门式喷印系统的使用成本都较高，所以 这种技术有逐渐被脉冲式喷印技术所替代的趋势。 二、脉冲式喷印技术 脉冲式喷印技术主要分为两种类型：压电式喷印和气泡式喷印。这两种技术 的实现差别很大。 。1 压电式喷印 脉冲式喷印技术首先出现的是压电式喷印。喷头喷嘴中的油墨压力必须足够 低( 或者是负压) ，因为是油墨的表面张力将油墨保持在喷嘴中，需要喷印时，一 个脉冲电压加在压电晶体上，压电晶体产生变形，使喷嘴油墨腔的容积减少；这 样，一滴油墨便从喷嘴中喷射出。然后，压电晶体恢复原状，由于表面张力作用， 新的油墨进入喷嘴。通过并排排列大量喷嘴，就可以获得理想的喷印宽度和解像 度( 一般8 - 6 点毫米) 。虽然可以通过倾斜放置喷头( 这样会牺牲打印高度) 来提 高喷印解像度，喷印解像度根本上还是由喷嘴间距决定的。更加精密的改进可以 使每个压电晶体驱动更多的喷嘴：比如每个压电晶体驱动8 个喷嘴，3 2 个压电 晶体可以驱动2 5 6 个喷嘴中的油墨，这样就会有更大的喷印范围，当然在被喷印 表面上只有3 2 个可编程落点。 因为系统不是连续式的，油墨必须在喷嘴中保持为流体。压电式喷印使用的 油墨通常上是油基或石蜡基的，这两类油墨在喷嘴中不会变干，但可被喷印表面 吸收。压电式喷印也使用一些快干油墨，快干油墨仍然需要相当长的时间( 大约 1 0 秒) 才会变干。为了避免油墨在喷嘴中变干，可以在压电晶体上加上一个较低 硕 j 学位论文 的脉冲电压，这样就会对喷嘴中的油墨产生轻微的扰动，喷嘴中的油墨就不会变 干。这种方法依赖于油墨成分的改变或机械上更精密的改进。另一种实现压电式 喷印的方法是加热喷头，同时使用热溶性油墨。这样，在喷嘴中保持为流体的油 墨在较冷的被喷印物表面上就会固化。使用这种油墨的压电式喷印系统能得到好 的喷印效果。 此外，另一个问题是喷头对振动很敏感。振动可使油墨被振出喷嘴和油墨腔， 以至于表面张力无法使油墨充填道喷嘴中，这时系统必须重新启动。当发现振动 问题时，喷印质量已经受到了影响。 2 气泡式喷印 气泡式喷印技术是更新的技术，仍然广泛应用于办公领域。在2 个端子上加 一个电压，由于端子间的阻抗，油墨被加热，从而形成了一个蒸气泡：由于氯泡 的膨胀，一滴油墨喷出喷嘴。去掉端子间的电压时，气泡消失，在表面张力的作 用下，新的油墨将会充填到喷嘴中f 6 】【7 儿8 1 。与压电式喷印技术一样，将一系列喷 嘴排列在一起，就会得到更大的喷印范围。而解像度很大程度上由喷嘴排列的密 集程度决定的。 三、连续式喷墨喷墨技术 连续式喷墨编码有着广泛的应用范围，它也许是最多样性的技术。2 0 世纪 7 0 年代中到7 0 年代末，早期的连续式喷墨编码机操作复杂，故障频出。这种印 象现在还存在，但情况情况以好很多。最新的连续式喷墨编码系统只需操作者按 一下“开关一键和每周做一次例行维护。有两种相关但不同的连续式喷墨编码 技术：偏转式喷印和二元式喷印。 1 偏转式喷印 偏转式喷印技术从7 0 年代早期开始商业化，它也许是应用在生产环境中的 技术中发展程度最高的一种技术。原理虽然简单，但要保证喷印可靠性和稳定性 却不容易。 油墨加压后被送至喷嘴，形成了一个约2 0 m s 的墨流。喷嘴后有一个压电装 置，加上电压，装置会产生位移，这种位移对墨流产生扰动，如果加在压电装置 上的电信号频率与墨流喷射频率谐振，墨流就会断裂成相同大小，相同间距的墨 滴。在连续的墨流断裂为一系列墨滴的位置，有一个充电电极，如果充电电极上 脉冲电压的频率与墨流断裂的频率相同，每一个墨滴就会带上相应的电荷。墨滴 继续前行，经过一对偏转板。偏转板上的电压为定值( 比如+ - 5 k v ) ，形成一个 静电场，在该静电场作用下，带电油墨滴根据自身所带电量的不同，朝著其中一 个偏转板方向产生相应量的偏转。最终，墨滴穿过空气，落在经过喷头的被喷印 物表面上。未被充电的墨滴不产生偏转并被装在喷头底部的回收槽回收，最后经 过一个油墨贮液器再循环至喷嘴。 嵌入式喷印系统的设计与实现 因为油墨喷射是连续式的，连续式喷墨编码机可以使用许多类型的油墨，特 别是那些干燥速度非常快的油墨。因此连续式喷墨编码技术对于那些在印码后需 要迅速处理的具有非渗透性表面的产品( 如罐头和塑料) 的印码是非常理想的。 ，由于连续式喷印有著相对较高的喷射速度，通常连续式喷印的喷印距离比脉 冲式喷印的喷印距离( 一般超过l o m m ) 远得多，而喷印质量却不会下降，这样 喷头位置的放置就可以有较大的选择余地。 2 二元式喷印 二元式连续式喷印技术的概念与偏转式喷印技术一样悠久，这种技术早期朝 高速( 高成本) 、大范围喷印的商业领域发展。 油墨从一系列紧密排列的喷嘴中喷出，喷印解像度为4 8 点毫米，墨流由 压电装置断裂为墨滴，断裂方式与偏转式喷印相似( 不过二元式喷印有更多的墨 流) 。不需要喷印的墨点被充电，偏转，然后由回收槽回收。需要喷印的墨点不 被充电，不发生偏转，直接打在被喷印物表面上这样，喷印图案的宽度便由喷嘴 数或墨流数决定。当然，我们也可以用充电墨滴喷印而回收未被充电的墨滴。 二元式喷印的喷印距离要小于偏转式喷印，但仍比阀门式喷印大得多。原则 上各种各样应用于偏转式喷印的油墨都可以应用于二元式喷印。将来，选择使 用二元式喷印还是偏转式喷印，将取决于喷印侧重于信息行数还是速度与成本。 在同时喷印3 行以上的信息时，二元式喷印无疑比偏转式喷印快。然而，二元式 喷印更加昂贵，在早期应用中还会需要较多的人工操作，特别是使用不同的异性 油墨的时候。基本上，二元式喷印与偏转式喷印将会共存，因为在当前，它们在 在线印码领域给客户提供了最多样性和有效的解决方案。 1 1 2 喷印机的市场现状 喷印机( i n k j e tp r i n t e r c o d e r ) 又称喷码机，是一种通用的包装设备。它能 够以非接触、高速、墨水快干的喷印方式准确地在不同材料，如金属、玻璃、塑 料等，表面喷印商标、防伪图案、生产日期、保质日期、批号、规格、条形码等 标识。市场上的喷码机主要分为两大类：油墨喷码机和激光喷码机；激光喷码是 最近几年出现的一种新的技术，其工作原理和油墨喷码有很大的不同，基本上可 分为两种类型：第一种是用激光束直接在产品表面烧蚀出图案；第二种主要适用 于塑料产品，在注塑料时加入少量特殊的变色母粒，但激光照射时，被照射处变 色，形成图案。这两种类型的激光印码机的适用对象均有一定的局限，且售价较 高，但印码质量很高，适合高速印码。更为重要的是，激光印码更适合防伪的需 要。激光喷码机在市场上占有一定的份额，但市场上主要的还是油墨喷码机。油 墨喷码机分为两种类型：连续喷墨喷码机和按需式喷墨喷码机。连续式喷码机只 有一个喷嘴，其连续不断的喷射出墨滴，通过控制墨滴的偏移来形成不同的文字 和图案；连续喷墨喷码机技术喷印速度快，但喷印质量低。按需喷墨喷码机可多 硕_ j ：学位论文 达几十个喷嘴，能喷印质量和分辨率高得多的画面，同时，由于运用更多的喷口 以较低的线性速度喷印比较小的墨滴，因而可获得更高的覆盖面比率。因此按需 喷码要比连续喷码更适合于需要更高覆盖面的印刷应用【9 1 。 目前，国际上生产喷印机的主要品牌和厂商有伟迪捷 ( v i d e o j e t ，美国) 、 多米诺( d o m i n o ，英国) 、依玛士( i m a j e ，法国) 、m a r s i i ( 美国) 、日立( h i t a c h i ， 日本) 、奥斯汀( o s t l i n g ，瑞典) 等【1 0 】。其中，伟迪捷 、依玛士、多米诺的 系列产品拥有多种高、中、低档的系列机型，品质较为稳定，占据了我国喷码机 市场的大部分份额。喷码机国产企业成规模的很少，只有北京的华诺、志恒达等 几家，面对成熟的美、英、法等国外企业的产品竞争，除了价格便宜之外，我们 再也找不到其他优点了；而且这些企业自产的喷码机都是连续喷墨喷码机，而按 需喷码机仍然被国外占据，国内暂时还没有自主品牌。 1 1 3 喷印技术的最新进展 随着喷码机市场需求的不断旺盛和竞争的进一步加剧，各厂商不断推出新技 术和新产品【7 1 。这些新技术和新产品主要有以下几个趋势： ( 1 ) 按需喷墨技术目前正在包装印刷领域特别是条码标识喷印方面日益成 为一种主流技术。 ( 2 ) 产品多样化。为满足不同用户的需求，各生产厂商推出了各种不同市 场定位的机型。例如：一机多喷头型适用于一个车间多条生产流水线的用户 危盘 号手o ( 3 ) 人机界面操作越来越方便，不少产品开始采用大屏幕液晶显示，并采 用了更为友好的菜单操作 ( 4 ) 功能日益丰富。新产品中用户可输入的字符和图案更加丰富，可保存 的用户信息数目更多。 ( 5 ) 喷嘴的精密加工水平不断提高。为适应更大的覆面而研制更大的打印 头，提高印头的分辨力和增加墨滴大小的变化，提高印头的打印质量。同时， 隐墨也日益变得更具适应性和多功能。 ( 6 ) 新型的激光喷码机不断完善。 所有这些都将在包装印刷领域为制造厂商及终端用户创造一个令人激动的 未来。 1 2 项目背景及本课题主要研究内容 本课题来源于深圳美安可公司开发项目。课题内容主要是设计一款适用于工 业包装行业的喷印系统；满足喷印数字、汉字、简单图像、流水号和日期等基本 图形的需求。 本文主要内容包括喷码系统的需求分析、方案设计、芯片选型、系统软硬件 嵌入式喷印系统的设计与实现 实现以及喷印点阵数据提取方法的研究。 第l 章绪论。给出本课题的选题背景，论述了喷印市场的现状和喷印技术的 最新进展以及发展趋势。 第2 章 第3 章 第4 章 第5 章 最后， 喷印原理。叙述了不同喷印技术的基本原理；着重介绍了x j l 2 8 喷墨 喷头的喷印原理：分析了喷印设置和图像点阵数据提取对喷印图像质 量的影响，并研究了图像点阵数据的提取方法。 硬件设计。详细分析了系统的主要技术指标，得到系统的需求描述； 根据需求，给出了系统的总体方案以及功能模块的划分；具体说明了 各功能模块的硬件设计。 软件设计。根据系统的总体方案和硬件构成，给出了系统的软件构成； 侧重叙述了从机设备的软件设计和实现，并给出了部分源代码和程序 流程图。 系统测试。给出系统喷印得到的效果图。 对文本的研究成果作出总结和展望。 硕士学位论文 2 1 喷印原理简介 第2 章喷印原理 当前主要采用的喷墨喷印的方式有两种：连续喷墨喷印和按需喷墨喷印。其 喷印原理存在较大差别。 2 1 1 连续喷墨喷印原理 连续喷墨所使用的喷头构造如图2 1 所示，它是具有一定导电能力的墨水以 一定的压力( 通常在3 0 - - i o o p s i 之间) 注入喷嘴，喷嘴前端的压电晶体在正弦 驱动电压( 频率为6 6 7 k h z ，电压为o - - - 2 0 0 v ) 的作用下发生周期性机械形变， 对即将喷出的墨水产生挤压，这样墨水在喷出喷嘴时就被“预挤断 。墨水在充电 电极内腔飞行过程中受墨水表面张力的作用开始逐渐断裂为墨滴。这时如果充电 电极上有正电压，在电场力的作用下，“预挤断”墨水中的正电荷被排斥，负电荷 被吸引，从而使断裂出的墨滴带有负电荷。带电墨滴飞出充电电极后进入又高压 板形成的偏转电场，墨滴带电量越大，其在电场中的偏转角也越大，最终，不同 充电量的墨滴在移动的工件或产品上形成图案。这样对不同墨滴控制其充电时的 充电电极电压决定了喷印图案的内容。墨滴形成速度与压电晶体的震荡频率相 等，并最终决定了喷印速度的快慢。喷印图案的高度与共件距喷头的距离和偏转 电中的电压有关，调节高压板上的高压，可以在一定范围内调节喷印字高【1 1 0 2 】。 一吖花馥奠 慨町”时 图2 1 连续喷墨系统喷嘴的结构 2 1 2 按需喷印原理简介 按需喷印( p r i n to n d e m a n d ) 1 3 儿1 4 1 的油墨从一系列紧密排列的喷嘴中喷出。 油墨的表面张力将油墨保持在喷嘴中，所以喷嘴中的油墨压力必须足够低( 或者 是负压) ，需要喷印时，一个脉冲压电加在压电晶体上，压电晶体产生变形，使 喷嘴油墨腔的容积减少，这样，一滴油墨便从喷嘴中喷射出。然后，压电晶体恢 嵌入式喷印系统的设计与实现 复原状，由于表面张力作用，新的油墨进入喷嘴。通过并排排列大量喷嘴，就可 以获得理想的喷印宽度和解像度。虽然可以通过倾斜放置喷头( 这样会牺牲打印 高度) 来提高喷印解像度，喷印解像度根本上还是由喷嘴间距决定的。 因为系统不是连续式的，油墨必须在喷嘴中保持为流体，在被喷印表面上边 干。喷印使用的油墨通常是油基或石蜡的，这两类油墨在喷嘴中不会变干，但可 被喷印表面吸收。有时也使用一些快干油墨，快干油墨仍然需要相当长的时问( 大 约l o 秒) 才会变干。当产品在喷印后需要迅速处理而又禁止产生污迹的时候， 使用快干油墨就会产生问题。为了避免油墨在喷嘴中变干，我们还可以在压电晶 体上加一个较低的脉冲电压，这样就会对喷嘴中的油墨产生轻微的扰动，喷嘴中 的油墨就不会干。 综上所述，相对于连续喷墨技术而言，按需喷印技术的喷印图像质量高，可 靠性好，并且设备易于维护，得到越来越广泛的应用。本文将采用按需喷墨喷头 设计一种喷印系统。 2 2x j l 2 8 喷头介绍 x j l 2 8 喷墨喷头( p r i n t h e a d ) 1 5 j 是x a a r 公司生产的一种按需喷墨喷头，其 内部含有由1 2 8 个由压电晶体材料构成的通道驱动器、内置油墨过滤器及驱动控 制电路，整体安装在一个金属块骨架上。这款喷头有三种型号，每一型号的喷头 都是以“二态”方式运作。 2 2 1 压电技术 n 丽 l - - _ j 、 图2 2x j l 2 8 喷头外观 赛尔喷头技术基建于应用压电陶瓷材料的特点。该材料在压电作用下会发生 变形或弯曲。利用这种特有的现象将压电作用施加在由压电陶瓷块加工而成并植 入电极的并行通道壁侧端上。这种应用施加电压作用于通道壁而产生弯曲的方法 称为“切变”模式。每两个通道都共同拥有一堵墙，故此称之为“共享墙”( s h a r e d 硕士学位论文 表2 1x j l 2 8 喷墨喷头的技术规格 说明 x j l 2 8 2 0 0x j l 2 8 3 6 0x j l 2 8 2 0 0单位 p l u s 识别绝缘色块蓝黑紫 喷嘴板非浸润型非浸润型浸润型 有效打印喷孔数量 12 8 喷孔间距 1 3 7 1 微米a m 喷孔直径 5 03 55 0微米a m 典型墨滴容积 8 04 07 0 微微升p l 典型墨滴速度 5 o6 05 o 米秒m s 典型墨滴偏移度 1 81 01 8 度e g r e e s 室温范围 1 0t o4 01 0t o4 01 0t o4 0摄氏度 相对湿度( 非凝结) 1 0t 08 0r h1 0t o8 01 0t o8 0r h r h 最高喷射频率 4 2 55 5 55 5 5千赫兹k h z 最高线性速度( 单一 5 4 03 9 07 0 5毫米秒m m s 次打印) 像素分辨率( 单一次 2 0 0 * 2 0 03 6 0 * 3 6 02 0 0 * 2 0 0分辨率d p i 打印) 特定打印条宽 1 6 59 01 6 5毫米m m 喷头净重 1 5 5l5 51 5 5 克g 尺寸( 长宽高) 3 7 2 * 4 0 8 1 1 3毫米n l m 最佳打印间距 1 0毫米m m 最高喷头加速度 3 9 2 4 米秒2m s 2 4 g 驱动器( a c t u a t o r ) 1 7 】是出于喷嘴板的后方，它是喷头上最为活跃的元件。 驱动器是由压电陶瓷晶体( p z t ) 【l8 1 被切割成平排列阵式的油墨管道而形成。驱 动器的结构功能是将电能转化，变换成机械压力挤压射出墨滴。 电器接口( e l e c t r i c a lc o n n e c t o r ) 喷头对外界的电子设施和数据接口。 铝金属架( c h a s s i s ) 是机械配件的安装基片。此金属架结构为喷头的机械性 装配提供了基准位置，它还担负着热效应功能，协助冷却驱散有电子驱动器件所 产生的热量或者反过来向喷头提供热量。 上盖( c o v e r ) 一个塑料帽盖，为在它其下的陶瓷晶体驱动器、电子线路板、 嵌入式喷印系统的设计与实现 油墨管道和过滤器提供覆盖和保护。 驱动芯片( d r i v e rc h i p s ) 负责储存和控制信息，直接向驱动器发送点火脉冲 信号。 油墨入口和过滤器( i n ki n l e ta n df i l t e r ) ：x j l 2 8 喷头有一个油墨入口也就是 喷头上唯一的油管接入口。喷头内置有一个1 5 微米( 1 l m ) 的不锈钢网油过滤器 ( 在图2 2 中没有显示) ，用以隔离沉淀物，加以保护驱动器和喷孔。这是整个 供墨过滤系统中最后一道辅助过滤器。除了指定的基本首个过滤器外，建议设计 者可以按需递增，形成梯级过段过滤系统，有效的保护延长喷头的生命期。 2 2 2 喷头与打印基材的相对角度 为求得到最理想的打印效果，x j l 2 8 喷头是能为适用于打印介质的运动方向， 安装成一相对角度的要求而设计的。摆放的锐角越小，所得到的垂直分辨率就相 应越高。水平方向的打印分辨率是由喷头的点火频率和与打印介质的相对运行速 度而决定的。但在特定的垂直方向分辨率，它的水平方向打印分辨率也同样受到 约束。这是由于喷孔被分配成三个不同的相位，而每一个打印相位之间的时序受 到固定的时间限制的结果。 为了能达到预期的2 0 0 * 2 0 0 的分辨率，x j l 2 8 2 0 0 或者x j l 2 8 2 0 0 加强版喷 头所需要设置的状态，和x j l 2 8 3 6 0 喷头做到3 6 0 * 3 6 0 分辨率所需要的设置状态， 如下图2 3 所示。 j 印簸客 x , 1 1 麓2 0 0 翱x j l 2 8 2 0 0 躺强黢糊1 翘转 图2 3 喷头打印的设置角度 2 2 3 电气功能概述 喷头上有几项主要的电器功能，是由用户方面负责操作应用的。图2 4 详细 列出了电插座上的插脚及每个信号的功能( 所有x j l 2 8 型号喷头的电器接口都 是一样的) 。各管脚信号说明如表2 2 所列。 硕士学位论文 瑚幽翟瀚一 图2 4x j l 2 8 喷头镭座针脚布局 信号说明： n s s la n dn s s 2 芯片选取：低电平启发，触动信号选取芯片l 或2 。当处于低 电平时会选取相应的6 4 节管道接收m o s i 数据。这信号能控制m i s o 的三态输 出信号。 n f a u l t 高温误差信号：低电平启发，触动输出误差信号，显示喷头处于高 温状态。此信号会一直处于活跃状态，除非喷头的温度下降低于所设置的临界温 度4 5 5 5 以下。外界的警报系统应对这高温误差信号采取相应的措施，停止打 印并等待喷头恢复冷却状态。此误差信号不会做自我的相应调节，但会由于喷头 在处于4 5 5 0 0 c 高温状态打印时诱发的线路干扰而导致它被启动。请留意当 r e a d y “准备就位”信号处于高电平时，是不会诱发线路干扰的，同时n f a u l t 高 温误差信号也会是处于稳定状态。所以只有在r e a d y “准备就位 信号处于高电 平时，才可取样n f a u l t 高温误差信号。 n r e s e t 逻辑复位信号：低电平启发，将芯片逻辑程序异步复位。逻辑复位 信号( n r e s e t ) 并不会将数据输入暂存器( s h i f tr e g i s t e r s ) 内部的资料重组。 m o s i 串e l 数据输入信号：串1 3 数据输入点( 主位出辅从进) 。打印数据经此 线路装载。 t e s t 一1 0 输入点：没有功能。但此点必须与v d d + 5 伏逻辑供电连接。如 果t e s t 一1 0 有任何潜在的可能性下降至低电平，则逻辑复位信号( n r e s e t ) 应被马上启动( 处于低电平) ，令喷头能回复到正确的运作状态。 茹虢烀嚣群豢秘筋殿惫溆 w ，。，”甜d”“”挣嚣嚣嚣豁嚣籍杉嚣嚣冀 嵌入式喷印系统的设计与实现 表2 2 喷头电气插座管脚说明 插脚信号名称插脚类型功能 ln s s 2输入m o s i m i s o 芯片选取芯片2 2g n d h电源高压地线 3 v p p h电源3 5 伏高压供电 4v p p l 电源3 5 伏小电流，低干扰电压供电 5g n d l电源高压，低干扰地线 6n f a u i t 输出高温误差信号 7n r e s e t 输入驱动芯片逻辑复位 8m o s i输入串口数据输入选取 9 - 15t e s t0 t e s t6输入无连接 1 6g n d电源5 伏逻辑地线 1 7v d d电源5 伏逻辑供电 1 8t e s t1 0输入必须与v d d 相连接 1 9s c k输入数据运作时钟 2 0n s s l输入m o s i m i s o 芯片选取芯片1 2 1 2 3t e s t7 t e s t9输入无连接 2 4r e a d y输出“准备就位”时序信号 2 5p h o输入相位序列选取 2 6n f i r e输入点火触发信号 2 7m i s o输出串口数据输出选取 2 8c l k输入系统定律时钟 2 9v p p h电源3 5 伏大电流高压供电 3 0g n d h电源高压地线 s c k 数据时钟信号：在其它x j 喷头上也称之谓“数据闪发”。在数据时钟 ( s c k ) 的上升沿，数据被输送进入暂存器；在数据时钟( s c k ) 的下降沿，数 据被输送退出暂存器( s h i f tr e g i s t e r ) 。喷头上一次完整的像素数据输入需要1 2 8 次装载运作。在第1 2 8 个数据闪发后和在点火触发信号( n f i r e ) 发出之前的期 间，往喷头上输送数据，会导致第一个输入的数据丢失。数据时钟( s c k ) 的最 高脉冲频率设定为2 兆赫兹( m h z ) 。当喷头上前一组像素数据正在开打的同 时，下一组的打印像素数据就可以马上进行装。 n f i r e 点火触发信号：低电平启发。输入对电平敏感的信号，就可指令喷头 打印。无论在有或无装载打印数据的情况下，点火触发信号( n f i r e ) 都可以被启动。 r e a d y 准备就位信号：高电平启发。此为输出信号，表示三个相位的打印 硕七学位论文 程序中，已有两者完成打印。由于在点火触发信号( n f i r e ) 【1 9 】发出后的两个时 钟脉冲，可匀许数据传输，这信号并不代表喷头仍忙碌，而是作为一个时序脉冲， 令系统可保持在同步。在准备就位信号( r e a d y ) 处于高电平时的同时，可取 样点火触发信号( n f i r e ) 。 p h o 相位序列信号：高电平启发。此信号决定了相位的序列。当处于启动 状态，表示相位排列次序是c b a ；当处于非启动状态，表示相位排列序是 a b c 。这信号与点火触发信号具有一样的设立和停顿要求。 m i s o 串口数据输出信号：串口数据输出信号( 主位进辅从出) 。连接住高位 元，也即内部暂存器的第6 3 位元。这是一个三态的输出信号。由n s s l 和n s s 2 掌管住控制权。被利用作为在链接式喷头间的数据转移。 c l k 系统定律时钟：整体系统的定律时钟，供给驱动芯片和同步逻辑一致 的时钟定律。应设置在l 兆赫兹( m h z ) 。在其它x j 喷头上也称之谓“主系统 时钟”( s a m p l ec l o c k ) 。 2 2 4 喷头上电顺序要求 表2 3 电源供电开启序列 开启序列逻辑供电高压供电高压供电逻辑复位条件状态 v d dv p p hv p p l n r e s e t 10 vo v0 v活跃 2v d d0 v0 v活跃 一1 0 0 m s 3v d dv p p hv p p l活跃 4v d dv p p hv p p l停顿 表2 4 电源断电序列 关闭序列逻辑供电高压供电高压供电逻辑复位条件状态 v d dv p p hv p p ln r e s e t lv d dv p p hv p p l停顿 2v d dv p p hv p p l活跃k _ 1 0 0 m s 3v d d o v0 v活跃 40 v o vo v 活跃 在任何时间，维持正确的电源开关程序是非常重要的。忽视这一点将会造成 喷头内的集成电路直接烧毁。这是一个很严格的程序，绝对不匀许在喷头的装卸 过程中启动。在电源的开关程序中，必须预留充足的时间给予喷头内的电容进行 充电或放电。表、表和图列示了喷头所一定要有的电源开启和关闭序列。必须要 求逻辑线路电压( v d d ) 已达到稳定状态，才能开启次个高压供电( v p p h ) 。 见表2 3 、表2 4 和图2 5 。 嵌入式喷印系统的设计与实现 供囊捩廖鬈赡l魂枣 o lo ! oioo ；oioio i i t i i l l i i 糨日 illlil 。一 ： ： ： ll-ii ：掣 ! ：芒一 鼢黝 图2 5 电源开关时序 2 2 5 喷头数据结构 相位排序 由於“共享墙”的设计原理，相郯的喷孔是不可能同时喷射墨滴的。为解泱这 个问题，所有喷孔被划分或组合成三个一组的“墨滴喷射 小组，称之为“相位“， 如表2 5 所示。 表2 5 划分在各相位内的喷孔 小组名称喷射小组 a 相位 此范围内的喷孔【( 1 + n 幸3 ) 】 b 相位 此范围内的喷孔【( 2 + n 幸3 ) 】 c 一相位 此范围内的喷孔【( 3 + n 木3 ) 】 起点起点 “正向打印方向 t t 反向，打印方向 图2 6 使用“p h o ”改变打印方向的相位排序 、 第一个打印的喷孔是a 相位，最后一个打印的喷孔是b 相位。如果喷头是 用作双向打印，那么在返程畴的打印点火次序就需要逆转。也即是利用介面“相 一 啪 | | | | 啪 一 硕士学位论文 位序列信号”p h o ，将点火排序变成c b a 。相位排序是可以通过接口介面，直 接提供控制权给用户应用。a b c 相位排序被称为“正向 排序，而c b a 相位 排序被称为“反向排序。见图2 6 所示。 当p h o 信号设定为低电平时( 停顿) ，表示“正向相位排序”正在使用，意 谓着打印组是以b c a 排序。当p h o 信虢设定为高电平时( 活跃) ，则正在使 用“反向相位排序 ，代表着打印组是以a c b 排序。每个相位触发信号( n f i r e ) 的脉冲，驱使驱动芯片内部操控，三个相位喷孔打印，自动地激励三个相位连续 打印。只要给1 2 8 个喷孔的全套数据装载完毕，相位触发信号( n f i r e ) 的电子 脉冲指令，驱使三个相位的整套数据全数发射。三个打印相位之间，存在着一个 固定的间格周期( 6 0 u r n ) ，这就是无法变更的“相位滞后”。 打印数据结构 进入移位暂存器的第一位元是高位元，也即是负责驭驾第6 4 或者第1 2 8 孔 道的第6 3 个位元。最后一个进入的是低位元，也必定是第0 个位元，负责驭驾 第l 或者6 5 孔道。通过m o s i 作为喷头的打印数据( “l ”代表喷墨，而“0 ”代表 不喷墨) 输入通道。 糕 小w 盯 强 一二= = 鲑匿二至艇迸= 班 图2 7x j l 2 8 装载打印数据和控制信号的时序图 一列像素线的1 2 8 个数据是通过两个6 4 位元的装载动作完成的。利用数据 时钟( s c k ) 的上升沿时刻，将数据有序地装载进入移位暂存器。同时n s s ( x ) 信号也应该拉下启动目标芯片，容许装载打印数据。移位暂存器拥有双缓冲个体， 允静在打印进行的同时，装载下一组打印数据。当准备就位信号跳到非活跃状态 时，数据就可以转载进入移位暂存器。在此时刻，喷头就可将第一线的数据打印 而出。一旦所有的像素数据输入完晕，相位触发脉冲( n f i r e ) 信号，按照打印数 据启动“点火射出墨滴。在相位触发脉冲( n f i r e ) 信号被启动前，相位序列信号 ( p h o ) 必须要首先确实稳定。相位触发脉冲( n f i r e ) 信号会肯定将三个相位( a ，b 和c ) 的数据，分别先后在一固定的间格时间陆续打出。当喷头开始打印“c 一相位 嵌入式喷印系统的设计与实现 的数据时，准备就位信号( r e a d y ) 就会转跳到停顿状态。图2 7 和图2 8 列出了 x j l 2 8 喷头的数据装载时序。 2 3 喷印设置及图像数据的提取 评价喷印系统优劣比较重要的指标是喷印的图像质量。使用x j l 2 8 喷头喷印 图像的质量和以下因素有关： a ) 喷印参数的设置。 b ) 输给喷头的图像点阵数据。 一z 舡一， s c k 氛脚 知 蝴 i， 1l 1 l j l 厂一 l 厂一叫厂1 1 u l 呻t 1 2 q - 一嘲1 1 3一一| li| l 0：o l 1 2 9 )：6 掣12 7 )：6 2 1 2 6j 襁：蝴，：2 t 6 63：1 6 5xj 朝蚓k i|l = 二：、6 4 ，1 2 8 )：6 3 ，1 2 7 _ )：6 2 0 2 6j ：舶繇3：3 t 6 7 )：2 搦3：i t 6 5卜 嚣一 l 对 o l l|lp 叫尘li 6 图2 8 输出数据时序示意图 为了达到最佳的喷印效果，在系统喷印之前，需要根据现场的环境( 如：物 体的移动速度，图案在物体表面的位置，喷头的位置以及倾斜角度等) 对喷印参 数进行调节。本节具体介绍喷印参数的概念以及设置方法和图像点阵数据的调 整。 2 3 1 喷印参数的设置 喷印参数的设置有很多，如喷印触发源的设置，用来确定喷印的触发信号是 由哪种传感器产生，等等；其中与喷印图像质量密切相关的喷印参数设置有以下 几种【2 0 】： a ) 喷印图像行间距设置 。 b ) 喷印图像起始位置设置 c ) 喷印图像的d p i 设置 下面将具体介绍这三种参数的设置。 2 3 1 1 喷印图像行间距参数 x j l 2 8 喷头是按列喷印图像点阵数据的，见图2 9 所示。由于x j l 2 8 的有效 喷嘴只有1 2 8 个，所以输出给喷头的点阵数据有尺寸上的限制。一个喷嘴对应点 阵数据上的一个像素点，那么x j l 2 8 只能喷印n * 1 2 8 尺寸的点阵图形。点阵图 像数据是按列送到喷头，即一次传送1 2 8 b i t 数据给喷头。这样，如果传送点阵 图象每列数据的时间间隔长，则喷印的图像列之间的距离就大，图像就显得稀疏； 反之，则图像列之间的距离小，图像就显得紧粘在一起。由此可得，喷印出图像 硕士学位论文 每列之间的间距，可以通过软件控制每列数据输出给喷头的时间间隔来设置。这 种通过软件设置喷印图像相邻两行之间的时间间隔称之为喷印图像行间距设置。 如图2 9 所示。 喷印图像行间距时间的长短决定着图像质量。行间距时间设置过长，则会拉 长图像，喷印质量下降：行间距时间设置过短，则图像行挤成一团，看不清楚。 因此，为喷印设置合适的行间距时间直接关系着喷印质量的好坏。 行间距时间的设置和喷印物体相对喷头的运动速度相关。运动速度快，则喷 印图像行间距时间应当设置小些，这样图像不会被拉长；运动速度慢，则喷印图 像行间距时间应当设置大些，这样图像不会挤作一团。具体应设置为多长时间， 根据当时的现场环境进行调