摘 要： 選取Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208芯片作為新型高速數(shù)字噴墨印刷機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺,，以μC/OS-II作為印刷機(jī)控制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過Nios II 11.0 Eclipse,，運(yùn)用Nios II軟核處理器技術(shù)來生成μC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模塊,，通過系統(tǒng)編程來實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字噴墨印刷機(jī)控制系統(tǒng)。通過軟硬件測試,，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性,。
關(guān)鍵詞： 噴繪機(jī)；FPGA,；Nios II,；狀態(tài)機(jī)；控制系統(tǒng)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,，加速了我國印刷業(yè)的發(fā)展,。由于數(shù)字噴墨印刷發(fā)展平緩，尤其是價(jià)格上卻比傳統(tǒng)的噴墨印刷機(jī)高出很多,，導(dǎo)致傳統(tǒng)的噴墨印刷機(jī)仍然占據(jù)相當(dāng)大的市場,。針對上述情況，對于新型數(shù)字噴墨印刷機(jī)的研究是十分必要的,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中,，采用Altera公司的Cyclone II系列[1]芯片EP2C8Q208為核心芯片，結(jié)合Nios II軟核來產(chǎn)生系統(tǒng)處理器,，并利用可編程電路導(dǎo)出外圍電路,。設(shè)計(jì)中采用SoPC Builder[2]來構(gòu)建,。這里選用μC/OS-II系統(tǒng)來調(diào)度整個(gè)任務(wù)，因?yàn)?mu;C/OS-II是源代碼完全開源的,，具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核,，同時(shí)其執(zhí)行效率高，占用的空間小,，系統(tǒng)中僅僅包含了任務(wù)調(diào)度,、任務(wù)管理、時(shí)間管理,、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信以及同步機(jī)制等功能,。
如圖1所示，設(shè)計(jì)中以FPGA為核心,，協(xié)同Nios II[3-4]軟核工作,。首先通過CY7C68013的USB芯片，從上位機(jī)上或者SD卡中獲取待噴印的文件內(nèi)容,，并實(shí)時(shí)下發(fā),。通過NiosII軟核的控制與處理，輸送到數(shù)據(jù)傳輸/變換模塊中,，通過同步模塊來實(shí)現(xiàn)文件內(nèi)容的實(shí)時(shí)傳輸以及針對文件的內(nèi)容,，調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制中的運(yùn)動(dòng)噴繪位置，來精確地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制,，同時(shí)獲得反饋狀態(tài)信息以及同步輸送控制命令,。在此期間，噴繪機(jī)的機(jī)械參數(shù)存放在24C02的存儲芯片中,。通過LCD接口,，結(jié)合GUI的界面以及按鍵接口，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,，在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中,，通過JTAG口以及UART串口進(jìn)行調(diào)試。
Nios II軟核是由中央處理單元,、配套組件以及外圍設(shè)備所組成的，并通過Avalon總線連接構(gòu)成的處理器系統(tǒng),。這里通過Altera的SoPC Builder軟件來配置Nios II CPU,，并利用自動(dòng)形成的Avalon總線將這些模塊連接在一起。這里采用的RISC架構(gòu),，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的板級時(shí)鐘設(shè)置為50 MHz,，設(shè)置了相應(yīng)的地址信息。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 總體任務(wù)框架
在整個(gè)軟件架構(gòu)中,，由于存在低速設(shè)備與高速設(shè)備的不匹配問題,，所以需要嚴(yán)格劃分各個(gè)任務(wù),。在主控的調(diào)度下，首先通過高速輸入ISR獲得高速數(shù)據(jù),，經(jīng)過處理后,，由高速數(shù)據(jù)輸出通道輸出，并實(shí)時(shí)噴印,。針對命令以及一些機(jī)械參數(shù),、狀態(tài)等低速數(shù)據(jù)，則通過低速數(shù)據(jù)輸入ISR的通道進(jìn)入,，并進(jìn)行相應(yīng)的處理,。當(dāng)進(jìn)行離線文件噴印時(shí)，則可直接對SD卡操作,，SD是通過SPI總線來與主控之間通信,。必要時(shí)，一部分的參數(shù)也可以存放在EEPROM,，這部分主要通過IIC來與主控通信,，存放的內(nèi)容則用于校準(zhǔn)機(jī)器。另外通過LCD上的GUI,，配合KEY來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人機(jī)交互,。具體過程如圖2所示。
2.2 ISR任務(wù)間通信機(jī)制的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中,，通過以μC/OS-II系統(tǒng)為平臺,，在其之上運(yùn)行諸多任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的特性,，不同任務(wù)之間也采用不同的通信機(jī)制,。ISR任務(wù)間通信機(jī)制的設(shè)計(jì)如圖3所示。
?。?）按鍵消抖任務(wù)通過KEY_ISR的全局變量來識別出上報(bào)的鍵值,，同時(shí)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令，通過μC/OS-II的郵箱通信機(jī)制KEY_BOX傳送給主控任務(wù),。
?。?）低速設(shè)備輸入的任務(wù)通過低速數(shù)據(jù)ISR的全局變量來控制，經(jīng)過USB傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)同樣通過μC/OS-II的郵箱通信機(jī)制KEY_BOX,，實(shí)現(xiàn)和主控任務(wù)的通信,。
（3）EEPROM的讀寫是通過IIC的協(xié)議來操作的,。首先會收到主控的EEP_REQ_BOX郵箱消息,，通過這條請求中包含讀寫控制字，主控開始實(shí)現(xiàn)對EEPROM的讀寫,，當(dāng)主控讀寫完畢時(shí),，則通過EEP_ACK_BOX的郵箱消息通知其讀寫完畢,，完全根據(jù)IIC的協(xié)議來進(jìn)行操作。類似的方式也適用于SD的讀寫中,。
?。?）低速設(shè)備由于是CPU來控制的，所以這里則只需要CPU關(guān)注速度匹配問題即可,。
?。?）高速數(shù)據(jù)的傳輸根據(jù)方向分為輸入與輸出，在輸入上,，由于是CPU來控制的,，所以直接采用DMA的方式，通過一個(gè)DMA_TC的事件即可,。而對于輸出而言,，底層需要有塊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)支持，之后直接通過DMA的控制器向主控發(fā)送DMA_TC_SEM來實(shí)現(xiàn)傳輸,，傳輸中的同步問題,，則采用SY_O_SEM以及SY_I_SEM來完成。
3 系統(tǒng)總控狀態(tài)機(jī)[5]
系統(tǒng)的總體狀態(tài)圖如圖4所示,，是系統(tǒng)在不同時(shí)刻的狀態(tài)切換過程,。通過箭頭的走向，以及箭頭上方相應(yīng)的條件,，來切換狀態(tài)機(jī)的狀態(tài),。剛開始上電時(shí)，系統(tǒng)的主窗口狀態(tài)為00000,，之后可以選用打印的方式,，通過人機(jī)交互的方式，進(jìn)而切換到不同的狀態(tài),，從而靈活地調(diào)度與切換各個(gè)狀態(tài),。
本文針對噴墨印刷機(jī)的控制系統(tǒng)做了很大的改進(jìn)，提高了打印的速度以及精度,，線條也更加圓滑,，曲線的鋸齒也有很大的提高，并能滿足大幅面的噴墨需求,。但是還存在一定的問題,，例如縱向馬達(dá)在速度控制上還不是很平穩(wěn)。傳輸速度上,，USB2.0的速度還是比較慢，急切需要USB3.0的合入來解決大數(shù)據(jù)傳輸問題,。噴墨的溫壓曲線部分還有待提高,，從而確保圖像的美感度,。總之,，該控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景,。
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