摘 要： 選取Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208芯片作為新型高速數(shù)字噴墨印刷機控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺，以μC/OS-II作為印刷機控制的實時系統(tǒng)，通過Nios II 11.0 Eclipse，運用Nios II軟核處理器技術(shù)來生成μC/OS II實時操作系統(tǒng)模塊，通過系統(tǒng)編程來實現(xiàn)新型數(shù)字噴墨印刷機控制系統(tǒng)。通過軟硬件測試，驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。
關(guān)鍵詞： 噴繪機；FPGA；Nios II；狀態(tài)機；控制系統(tǒng)
隨著我國經(jīng)濟的快速增長，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，尤其是價格上卻比傳統(tǒng)的噴墨印刷機高出很多，導(dǎo)致傳統(tǒng)的噴墨印刷機仍然占據(jù)相當(dāng)大的市場。針對上述情況，對于新型數(shù)字噴墨印刷機的研究是十分必要的。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
在設(shè)計中，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)度整個任務(wù)，因為μC/OS-II是源代碼完全開源的，具有可剝奪實時內(nèi)核，同時其執(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、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信以及同步機制等功能。
如圖1所示，設(shè)計中以FPGA為核心，協(xié)同Nios II[3-4]軟核工作。首先通過CY7C68013的USB芯片，從上位機上或者SD卡中獲取待噴印的文件內(nèi)容，并實時下發(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，通過同步模塊來實現(xiàn)文件內(nèi)容的實時傳輸以及針對文件的內(nèi)容，調(diào)整運動控制中的運動噴繪位置，來精確地實現(xiàn)運動控制，同時獲得反饋狀態(tài)信息以及同步輸送控制命令。在此期間，噴繪機的機械參數(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，實現(xiàn)人機交互，在項目實現(xiàn)中，通過JTAG口以及UART串口進行調(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)，同時根據(jù)實際的板級時鐘設(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
2.1 總體任務(wù)框架
在整個軟件架構(gòu)中，由于存在低速設(shè)備與高速設(shè)備的不匹配問題，所以需要嚴格劃分各個任務(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，并實時噴印。針對命令以及一些機械參數(shù)、狀態(tài)等低速數(shù)據(jù)，則通過低速數(shù)據(jù)輸入ISR的通道進入，并進行相應(yīng)的處理。當(dāng)進行離線文件噴印時，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，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)機器。另外通過LCD上的GUI，配合KEY來實現(xiàn)實時的人機交互。具體過程如圖2所示。
2.2 ISR任務(wù)間通信機制的設(shè)計
本設(shè)計中，通過以μC/OS-II系統(tǒng)為平臺，在其之上運行諸多任務(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制。ISR任務(wù)間通信機制的設(shè)計如圖3所示。
（1）按鍵消抖任務(wù)通過KEY_ISR的全局變量來識別出上報的鍵值，同時轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令，通過μC/OS-II的郵箱通信機制KEY_BOX傳送給主控任務(wù)。
（2）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傳輸進來的數(shù)據(jù)同樣通過μC/OS-II的郵箱通信機制KEY_BOX，實現(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，主控開始實現(xiàn)對EEPROM的讀寫，當(dāng)主控讀寫完畢時，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)議來進行操作。類似的方式也適用于SD的讀寫中。
（4）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。
（5）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)動支持，之后直接通過DMA的控制器向主控發(fā)送DMA_TC_SEM來實現(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[5]
系統(tǒng)的總體狀態(tài)圖如圖4所示，是系統(tǒng)在不同時刻的狀態(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)機的狀態(tài)。剛開始上電時，系統(tǒng)的主窗口狀態(tài)為00000，之后可以選用打印的方式，通過人機交互的方式，進而切換到不同的狀態(tài)，從而靈活地調(diào)度與切換各個狀態(tài)。
本文針對噴墨印刷機的控制系統(tǒng)做了很大的改進，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。
參考文獻
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