摘  要： 介紹了數(shù)字包裝印刷機系統(tǒng)的整體設計以及USB控制器CYUSB3014芯片的特性。通過對USB控制器固件程序和FPGA程序的設計,，實現(xiàn)了FPGA通過USB接口高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸,。
關鍵詞： USB 3.0; CYUSB3014; 數(shù)字包裝印刷機

    隨著印刷行業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)字包裝印刷機的應用越來越廣泛,。但是在快速化的數(shù)字包裝印刷的實時工業(yè)現(xiàn)場, 以USB 2.0接口實現(xiàn)的信息傳輸已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)對傳輸速度的要求,，而USB 3.0接口技術的出現(xiàn)能很好地實現(xiàn)這個目標。在2008年公布的USB 3.0協(xié)議[1]理論上可達到5 Gb/s的極限傳輸速度,雖然有傳輸協(xié)議的開銷和系統(tǒng)的設計開銷,，但其仍然可以達到工業(yè)高速化的要求,。
1 USB 3.0簡介
    由Intel,、微軟、惠普,、德州儀器,、NEC、ST-NXP等業(yè)界巨頭組成的USB 3.0(SuperSpeed USB) Promoter Group 于2008年11月18日宣布,，該組織負責制定的 USB 3.0標準接口與線纜樣品新一代USB 3.0標準已經(jīng)正式完成并公開發(fā)布[2],。USB 3.0中定義了8根信號線，較USB 2．0多了SSTX+,、SSTX-,、SSRX+、SSRX-4根數(shù)據(jù)線,這也是USB 3.0速度比USB 2．0大幅提升的原因之一,。新規(guī)范使USB 3.0提供了十倍于USB 2.0的傳輸速度,，可用于數(shù)字視頻信息的采集、數(shù)字導航,、工業(yè)攝像等,。新的USB 3.0在保持與USB 2.0兼容性的同時，還提供了幾項增強功能,，即：極大提高了帶寬——高達5 Gb/s全雙工(USB 2.0則為480 Mb/s半雙工),；實現(xiàn)了更好的電源管理；能夠使主機為器件提供更多的功率;能夠使主機更快地識別器件,；使數(shù)據(jù)處理的效率更高,。
2 系統(tǒng)整體結構設計
    印刷機的打印分為兩種情況：一種是通過PC機直接控制打印的方式，稱為聯(lián)機打印模式,；另一種是將圖像載入到存儲器中,，不需要PC機的控制，直接由噴繪機的控制系統(tǒng)操控的打印模式,，稱為脫機打印模式,。
    在聯(lián)機打印模式下，針對數(shù)字包裝印刷機系統(tǒng)的特點,，本系統(tǒng)可實現(xiàn)由一臺PC機作為上位機來控制運行,，采用IJA模式噴繪機噴頭，每噴頭510孔,，物理精度為180 dpi,。同時,為了提高數(shù)字包裝印刷機的噴繪速度，采用壓電噴頭,，三列噴口,，支持多噴口同時噴墨。系統(tǒng)的主控制器由數(shù)據(jù)傳輸板與運動控制板組成,，采用Cyclone Ⅱ系列EP2C8Q208C8作為首選芯片進行設計[3],，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用Cypress公司的CYUSB3014控制芯片,。上位機發(fā)出控制命令和圖像信息，通過CYUSB3014接口芯片傳輸?shù)街骺刂破魃?主控制器通過運動控制模塊和噴頭控制模塊將噴頭需要的圖像數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絿婎^板上;FPGA負責USB的數(shù)據(jù)信息的接收,、小車的運動控制,、二級墨盒液位檢測、二級墨盒液泵控制,、噴頭板的圖像數(shù)據(jù)格式轉換和傳輸以及噴頭位置和顏色點火順序的控制。
    本文主要介紹上位機與數(shù)字包裝印刷機主控制器的數(shù)據(jù)傳輸,。當上位機發(fā)出控制信號,，經(jīng)USB芯片CYUSB3014解析后與FPGA進行通信；系統(tǒng)主控制器檢測到上位機發(fā)出的控制命令之后,，通過USB接口芯片CYUSB3014以異步從屬FIFO模式將數(shù)據(jù)由DDR2傳輸?shù)経SB內(nèi)部的FIFO中,，最后傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部的FIFO中；主控制器讀取USB傳輸過來的數(shù)據(jù),，再分配給4色噴頭,。控制系統(tǒng)的整體設計如圖1所示,。

2.1 USB接口設計
    數(shù)字包裝印刷機的噴印以行為單位,，每行噴印過程中必須以恒定的速度噴印。在每行的行端,，噴頭小車要進行加減速和換向,，要卷動卷布輥進布，以便進行下一行的噴印,。恒定速度的噴印必須有恒定的圖像數(shù)據(jù)傳輸率來保證,。噴印速度要求越高，對圖像數(shù)據(jù)的傳輸速度要求也越高,。
2.1.1接口芯片的選擇
    在本通信系統(tǒng)中,選用CYUSB3014芯片,，其采用的構架是EZ-USB FX3。這是一款新的USB 3.0芯片,，它集成了增強型的AEM926ej-s內(nèi)核,，并采用了低功耗設計，速度高達5 Gb/s,，代表了業(yè)界的領先水平,，是新一代符合USB 3.0高速控制器的構架[4]。
2.1.2 接口芯片的設計
    在傳輸控制系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收方式一般是通過FX系列芯片內(nèi)部的CPU接收上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)同步,，然后經(jīng)過FPGA傳輸?shù)絿婎^，最后通過主控制器發(fā)出的點火命令實現(xiàn)噴頭的點火工作,。這種方式在芯片內(nèi)部經(jīng)過了多個數(shù)據(jù)存儲器,，易導致數(shù)據(jù)的傳輸速度不斷變慢,，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場對數(shù)據(jù)高速、實時傳遞的要求,。
    通過對數(shù)字包裝印刷機工作原理的研究,，可以看出數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只是進行了同步，然后通過FPGA傳輸?shù)絿婎^進行打印操作,，并不需要對圖像數(shù)據(jù)進行復雜的處理,。CYPRESS公司的FX3系列的芯片中提供一種加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹膶貴IFO模式。這種模式在USB的主機與FPGA之間直接建立通道,，從而旁路掉CPU,，減少不必要的速度損耗，實現(xiàn)端點FIFO與外部數(shù)據(jù)的直接交換,，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度,。
    通過對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的分析,采用一種將CPU旁路的方法提高速度。在USB 2.0傳輸?shù)臅r代,，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限速度是60 MB/s,通常工業(yè)使用的速度大概在40 MB/s左右,，因此只要通過芯片自帶的內(nèi)部端點FIFO就可以解決問題。而到了USB 3.0的時代,，速度有了質的提高,，如果僅僅使用內(nèi)部FIFO進行緩沖，可能出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況,。因此在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上加上大存儲DDR2內(nèi)存,，保證數(shù)據(jù)的傳輸更加安全、快速,。該設計使數(shù)據(jù)不經(jīng)過CYUSB3014內(nèi)部CPU的處理直接傳輸?shù)紽PGA的FIFO中,，然后通過主控制器的控制命令發(fā)送給各個噴頭進行打印。
2.2 FPGA接口設計
    選用CYUSB3014芯片作為USB 3.0的接口芯片,，由于接口芯片的最大時鐘頻率遠遠低于FPGA的時鐘頻率,，因此不能將接口芯片與主控制器總線直接相連，所以需要芯片接口和FPGA內(nèi)部總線進行連接,。由于兩個模塊的數(shù)據(jù)傳輸速度不同,，因此在USB外部連接大容量的DDR2內(nèi)存，在FPGA內(nèi)部建立USB的數(shù)據(jù)FIFO緩沖區(qū),，以便于數(shù)據(jù)的傳輸,，保證在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中的完整性和準確性。同時,，F(xiàn)PGA作為Slave FIFO模式的外部控制邏輯,，提供USB的片選、寫數(shù)據(jù)時鐘和端點選擇等信號,，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)讀寫的控制[5],。
    為保證實時性,，這些數(shù)據(jù)應該通過緩沖與上位機接口,最好的緩沖就是FIFO。由于CycloneⅡ EP2C8Q208C8的NiosⅡ內(nèi)核不支持USB 3.0協(xié)議,系統(tǒng)擴展采用CYUSB3014 USB擴展接口芯片,，在 FPGA內(nèi)部設計與CYUSB3014 USB的接口,。為了最大限度使用FPGA存儲單元，F(xiàn)IFO采用32 bit數(shù)據(jù)格式存儲,?？刂颇K從CYUSB3014中獲取數(shù)據(jù)并經(jīng)過USB_FIFO對數(shù)據(jù)進行一級緩存，之后將一級緩存中的數(shù)據(jù)按C,、M,、Y、K四色每色依次分配512 bit的方式分配到FIFO_C,、FIFO_M、FIFO_Y,、FIFO_K 4個二級緩存當中,。這要求上位機給出圖像數(shù)據(jù)時嚴格按照C、M,、Y,、K四色各512 bit的大小給出數(shù)據(jù)塊并通過USB傳輸。二級緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位控制按預定傳送方式將數(shù)據(jù)分別傳送給C,、M,、Y、K四色噴頭,。
3 實驗結果測試

    數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的控制芯片變?yōu)镃YUSB3014,，它提供了全新的接口方式和傳輸模式，由以前的半雙工傳輸變?yōu)槿p工傳輸,。通過采用Slave FIFO的高速傳輸模式,，使數(shù)字包裝印刷機的數(shù)據(jù)傳輸速度有了質的提高，其數(shù)據(jù)傳輸速度比原來的42 MB/s提升了3倍,數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸速率可達到135 MB/s,有時突發(fā)速率可達270 MB/s左右,。系統(tǒng)速度測試結果如圖2所示,。

    本文對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行了重新設計,采用了CYUSB3014全新的接口芯片和FPGA芯片，使整個數(shù)字包裝印刷機的數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性得到了極大的改善,，滿足了工業(yè)實施現(xiàn)場對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求,。
參考文獻
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[2] 劉妍秀.USB3.0體系結構及發(fā)展前景[J].長春大學學報2010,20(10):23-26.
[3] Altera. Cyclone Ⅱ EP2C8Q208C8[EB/OL].[2012-07-24].http:www.altera.com.cn/.
[4] Cypress semiconductor. CYUSB3014 Datasheet[EB/OL]. [2012-07-24]. http://www.cypress.com/.2012.
[5] 張平,劉晉. FPGA與USB技術在紡織品數(shù)字印刷機系統(tǒng)中的應用[J].微型機與應用, 2011，30(8):29-32.