（精密仪器及机械专业论文）基于DSPMCUCPLD的喷码机系统外围接口的研究与设计.pdf

摘要 摘要 当前，随着我国包装工业的蓬勃发展，产品的包装技术已成为产品质量和企 业形象的标志。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、增加经济效益起到了 很大作用，因而其应用范围正飞速扩展。喷码机是系统技术、计算机与信息处理 技术、自动控制技术、机械设计技术等多个学科综合交叉的技术密集型产品。 论文围绕喷码机控制系统的开发，针对国内j , i - 喷码技术的现状和发展趋势， 自主研发一种以d s p 为控制核心的新型高清晰喷码机，适用于建材、烟酒、药 品、食品等的包装流水线。 本课题的研究工作主要包括以下几个方面： 首先，通过研究企业提供的一类喷码机，从控制开发与制作成本入手，针对 原有喷码机的一些缺陷，进行改良，自行开发研制喷码机系统，力求操作简单， 功能强大，系统稳定，弥补原有产品的不足。 其次，设计了以d s p 为控制核心的主控板，并完成外围接口的设计。根据 系统的特点，我们选择了以1 1 公司的d s p 系列产品t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为整个 系统的控制核心，完成了喷头控制芯片电路模块、存储器模块( 扩展程序存储器 及存储器、m c u 接口电路) 、检测与同步信息反馈电路等研发设计工作。 接着，针对系统的通用性、灵活性建立了以m c u + c p l d 的辅助控制模块。 根据降低主控芯片负荷，提高系统稳定性及用户自主升级程序的灵活性，设计完 成了d s p 与m c u 的接口模块、程序下载模块、人机交互模块等的研发工作。 最后，在设计完成喷码机的最小系统后，完成核心系统的p c b 板的制作， 并进行软件和硬件的模块化调试工作。 关键词：喷码机；d s p ；外围接口； a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t hg r e a tt h ed e v e l o p m e n to fp a c k a g i n gi n d u s t r y ， p r o d u c t sp a c k a g i n gb e c o m e saf l a go ft h ep r o d u c tq u a l i t ya n dt h ei m a g e o fe n t e r p r i s e t h ep r i n t i n gt e c h n i q u ea c c e l e r a t e si m a g e b u i l d i n go f c o r p o r a t i o na n dp r o d u c t i o n ，p r o m o t e s ，s a l e s ，a d v a n c e sw o r ke f f i c i e n c ya n d i n c r e a s e se c o n o m i cb e n e f i t ，s oi t sa p p l i c a t i o n sb e c o m eb r o a d e r a n d b r o a d e r t h ei n k j e tp r i n t e ri sap r o d u c t i o no ft e c h n i q u e d e n s e n e s s ，w h i c h g a t h e r st h es y s t e mt e c h n o l o g i e s ，t h em o d e r nc o m p u t e ri n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，t h ec y b e r n a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h em e c h a n i c a l d e s i g na n ds oo n t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fi n j e tp r i n t e rw a sb a s e do nt h es t u d y o ft h ec u r r e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fi n j e tp r i n t e r t e c h n o l o g yb o t ha th o m ea n da b o a r d m o r e o v e r ，t h ed e s i g nt h e o r ya n ds o m e k e yt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a il s t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t ，a c c o r d i n gt oak i n do fi n j e tp r i n t e r ss y s t e m , w h i c hisg i v e n b yac o r p o r a t i o n t h ed e s i g na i m sa tt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o nc o s t c o n t r 0 1 an e wm o d i f i e di n j e tp r i n t e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi ss i m p l e r ， m o r ep o w e r f u l ，a n dh a st h ea d v a n t a g ei ns y s t e ms t a b ilit y ，m a k e su pm a n y d e f e c t so ft h eo r i g i n a lp r o d u c t s e c o n d ，d s pw a su s e da sac o r eu n i to nt h ec o n t r o lb o a r da n dp e r i p h e r a l i n t e r f a c ew a sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m , t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2w a sc h o s e nf o rt h ej o b ag r e a td e a lo fr e s e a r c h e sa n dd e s i g n w e r ea c c o m p l i s h e d ，s u c ha st h ep r i n th e a dc o n t r o li cc i r c u i tm o d u l e ，t h e m e m o r ye x p a n s i o nm o d u l e ，t h ed e t e c t i o na n ds y n c h r o n o u sf e e d b a c kc i r c u i t a n ds oo n t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sg e n e r a li t ya n df l e x i b i li t y ，t h e d e s i g no fa u x i1i a r yc o n t r o lm o d u l ew a sb a s e do nm c u + c p l d t h ed s pa n dm c u a b s 扛毽c l i n t e r f a c em o d u l e ，t h ed o w n l o a dm o d u l e ，t h em a n m a c h i n ei n t e r a c t i v em o d u l e a n ds o o nw e r ec o m p l e t e di nt h isp r o j e c t f i n a ll y ，a f t e rf i n i s h i n gt h ed e s i g no fm i n i m u ms y s t e mo fi n k i e r p r i n t e r ，t h ep c bw a sm a d e s o m ed e b u gw a sd o n eb e t w e e ns o f t w a r ea n d h a r d w a r e k e y w o r d s ：i n k j e tp r i n t e r ：d s p ：p e r i p h e r a li n t e r f a c e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标 明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：钐铽 l o 力年月e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的 标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名： 导师签名： 钻 p 阳白 日期：功d7 年莎月7 日 日期：加7 年月1 日 第一章绪论 作。 第一章绪论 本章主要介绍本课题的来源、研究目的和意义，简明扼要地介绍课题的主要研究工 1 1 课题来源 本课题是与企业合作的横向课题，正在提请福建省科技计划项目的支持。该企业要 求在原有的喷码机的基础上，自主研发一种适用于建材、烟酒、药品、食品等的包装 流水线上的喷码机产品。产品突出低成本、工作稳定、存储器喷印资料大、喷印质量高 等特点。本课题意在根据合作方的要求，研究新型喷码机，设计基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口。 2 喷码机的发展现状嘲，3 1 喷码机发明于六十年代末，直到七十年代末才生产出世界第一台商用喷码机。该设备 广泛应用于食品、化妆品、医药、汽车、电线电缆、铝塑管、烟酒等行业领域。喷码机 可用于喷印生产日期、批号、条型码以及商标图案、防伪标记和中文字样等定制或多变 的信息，是促进包装现代化强有力的设备。经过三十多年的锤炼，喷码技术已日趋成熟。 但喷码机核心技术复杂，目前世界上仅有美、英、法等几个工业发达国家能生产。目前 这些国家已进入了第三代喷码机的时代一一将目前普遍应用于办公领域的气泡式喷印 技术用于喷码机，极大的提高了喷码机的稳定性与清晰度。随着各种喷印墨水的相继出 现，使得喷码机应用领域逐出扩大，变得更为灵活。由先喷印后包装的旧模式逐步转变 成先包装后喷印的灵活模式。 由于缺乏此项技术，我国各行业所用喷码机基本上全部依赖进口，耗费了大量外汇。 目前，国内市场上有进口国外产品和合资企业产品，如a n s e r ，金吉特，除北京科诺 华公司外，目前还未见拥有自主知识产权并且批量生产喷码机的国内厂家。科诺华公司 目前生产的喷码机基本性能已达到进口同类产品9 0 年代末的水平。 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的研究与设计 1 3 课题的研究意义 1 3 1 喷码机的科技、经济和社会发展的作用 目前，我国包装工业的蓬勃发展，产品的包装技术已成为产品质量，企业形象的标 志。各种新型的包装材料应运而生，产品的包装形式也为突出品牌特征而设计得更具特 色。而且国家对产品( 特别是食品、药品等) 的出厂日期等标识的要求越来越严格，迫 于竞争，对各个生产的厂家来说，解决标识问题的首选就是“喷码机 。 当前，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。同时，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极大的作用，其应用范围正飞速地发展。 据统计，1 9 8 9 1 9 9 5 年，我国每年从国外进口喷码机2 0 0 0 台左右，1 9 9 5 - - 2 0 0 4 年上升 到每年1 0 0 0 0 台左右，2 0 0 5 年上升到每年1 4 0 0 0 台。进口喷码机每台售价一般在2 万元 以上。由于墨水又受喷码机厂家的控制，耗材费用高，进口喷码机的全寿命使用费用很 高。国内对喷码机数量需求呈快速增长，国内市场潜力巨大，迫切需要国内有更多的厂 家来开发和生产拥有自主知识产权的喷码机。这样不仅能满足国内企业的需求，大幅度 降低喷码机的全寿命使用费用，节省大量外汇，而且有利于在喷码技术研发上进行技术 储备、缩短与世界先进喷印技术之间的差距。 1 3 2d s p + m c u + c p l d 的实时控制功能框架 喷码机是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、机械设计技术等多个 学科综合交叉的技术密集型产品。本论文的重点工作主要集中在两个方面：一是脱机系 统设计，二是控制喷码机的喷头完成图像信息的喷印。换句话说就是要开发出一个独立 的带有喷印头的“微计算机 系统。这个系统包括c p u 、内外存储器、输入输出设备、 数据传输交换接口等。d s p 器件具有处理数据快，性能稳定，抗干扰能力强与外围器件 接口简单等优点，非常适用于类似喷码机等复杂数据处理系统。在系统中，加入了单片 机( m c u ) 配合d s p 进行工作，完成程序存储、下载等工作，减小d s p 在整个系统中 2 第一章绪论 的工作开销，能够使其更好的进行处理数据的工作，进一步增强系统的稳定性。为配合 系统的高速运行，以及电路板制作规模方面，传统的逻辑门电路已无法适用，因此选用 可编程逻辑器件( c p l d ) 完成系统电路的组合逻辑、时序逻辑。 1 3 3 主控系统外围接口的通用性 喷码机的主控部分作为一个典型的嵌入式系统来说嗍，具有与一般嵌入式系统通用 的硬件结构，包括嵌入式芯片、存储器、输入输出等模块。所以本论文课题的设计，不 仅仅为了设计喷码机系统，而且在设计的同时，立足于整个硬件系统的通用性，使其能 够通过小规模的修改外设配置与软件，就可以达到完成另外一种功能的嵌入式系统的设 计，这样既缩短了研发的周期，也降低了继承者开发产品的难度。 4 学位论文的主要研究工作 本课题的研究工作主要包括以下三个方面： ( 1 ) 在研究了企业提供的一类喷码机的基础上，从控制开发与制作成本入手，针对 原有喷码机的一些缺陷，进行改进，自行开发研制喷码机系统，力求操作简单，功能强 大，系统稳定，弥补原有产品的不足。 ( 2 ) 设计了以d s p 为控制核心的主控板，并完成外围接口的设计口1 。根据系统的特 点，我们选择了以t i 公司的d s p 系列产品t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为整个系统的控制核心， 并完成了如喷头控制芯片电路模块、存储器模块( 扩展程序存储器及存储器、m c u 接 口电路) 、检测与同步信息反馈电路等研发设计工作。 ( 3 ) 针对系统的通用性，及灵活性建立了以m c u + c p l d 的辅助控制模块。依据降 低主控芯片负荷，突出整个系统通用性及用户自主下载程序升级的灵活性，设计完成了 如d s p 与m c u 的接口模块、程序下载模块、人机交互模块等的研发工作。 ( 4 ) 通过多方查找资料，完成了对喷印引擎的选择，以及与主控系统的接口设计。 ( 5 ) 完成核心系统的p c b 板的制作，并进行软件和硬件的模块化调试工作。 3 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接u 的研究与设计 第二章喷码机系统的设计策略 喷码机是一种由微控制器控制，非接触式喷墨标识系统h 1 。通过带电的墨水微粒， 由高压电场偏转的原理，在各种物体表面上喷印上图案文字和数码，是集机电一体化的 高科技产品。本章在讨论喷码机的工作原理及其功能模块组成的基础上，说明了项目的 控制策略与设计方案。 2 1 喷码机系统综述 2 1 1 喷码机的组成5 6 1 喷码机是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、机械设计技术等多个 学科综合交叉的技术密集型产品。如图2 1 所示，为某一类喷码机在生产线上的示意图。 其大致可以由喷头控制系统、人机交互系统、检测与同步信息反馈装置、喷头、墨水供 应装置和喷头机械防撞机构及安装机构六部分组成。 图2 - 1 喷码机示意图 ( 1 ) 喷头控制系统 喷头控制部分是整个喷码机系统的核心部分，通过微处理器对喷印头进行控制， 实现喷印字符图像、墨水供应等工作。 ( 2 ) 人机交互系统 人机交互系统由包括上位p c 机在内的软硬件组成。用户通过人机交互系统将所需 4 第二章喷码机系统的设计策略 喷印字符和喷印参数在内的一系列数据或命令传送给字符图形生成模块以及喷码控制 模块，对喷码机系统进行操作和监控。 ( 3 ) 检测与同步信息反馈装置 同步检测装置主要是通过不断检测生产线上的产品位置信息及流水线速度，并将 信息反馈给微处理器，形成闭环控制系统，处理器根据反馈信息自动调整喷印参数，进 一步提高喷印质量与精度。 ( 4 ) 喷印头 喷印头的精密与质量决定了整个喷码机的喷印效果，同时由于它的不同的工作原 理，也决定了喷码机在市场上的分类，目前市场上大体分为，电磁阀式、压电式、气泡 式和激光式等口引，相关具体原理会在下一节详细叙述。图2 2 为一个压电式喷印头实 物。 图2 - 2 压电式喷印头实物图 ( 5 ) 墨水供应系统 墨水供应装置用于墨水的供给，主要由墨水罐、过滤器、墨水泵、压力传感器等 组成。图2 - 3 为一典型的油墨供给系统。 ( 6 ) 喷头机械防撞机构及安装机构 当前喷码机大多是固定于生产线上，免不了喷头与产品发生碰撞，从而影响喷印 效果。防撞机构应运而生，它保证了喷头在与产品发生碰撞的时候，依旧能够保持喷头 水平，不影响这个喷印效果。图2 4 为a 1 1 s e r 系列喷码机的防撞机构。 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的研究与设计 _ 兰? _ 影， 。晦辛一餐 一h 一 ；篓( 0 曼0 2 4 2 2 ) 融 溽爱州吼， r = o _ 一4 韬l j j ? 2 i 2 喷码机的分类 丁雾，零 审氅穸 图2 - 4a n s e r 喷码机防撞机构 目前市场中，喷码机种类繁多，但基本都是根据喷印头不同的工作原理进行分类， 大体分为以下几种。 i 阀门式喷印 这种方法是最易实现的，在过去3 0 年中，主要用在外包装箱施印。基本上，一个 阀门喷印装置包括一个低压油墨系统，一个电子控制机箱和一个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，阀门式喷印系统是易于建立 的。顾客一般通过比较用户界面( 即操作是否容易) ，喷印能力喷印多样性质量和适用的 油墨系列来选择供应商。总的来说，如果对喷印质量要求不高和经常清洗喷头，阀门式 喷印系统都可以表现良好。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 计算下来都较高，所以这种技术有逐渐被脉冲式喷印技术所替代。 2 压电式喷印 脉冲式喷印技术首先出现的是压电式喷印，简单地说，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。 6 么季耩 删矩 塑 第二章喷码机系统的设计策略 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( 比方说8 个) ，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。 3 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。一个电压加在2 个端 子上，由于端子间的阻抗，油墨被加热，从而形成了一个蒸气泡，由于气泡的膨胀，一 滴油墨喷出喷嘴。去掉端子间的电压时，气泡消失，由于表面张力作用，新的油墨充填 列喷嘴中。象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。解像度很大程度上由喷嘴排列的密集程度决定。油墨特性对于气泡式喷印系统的正 常工作特别重要。在办公室里，可以控制打印物表面，使之与油墨相配，但在生产环境 下完全是另一码事。由于这个原因，气泡式喷印技术在产品编码领域的影响受到了一定 限制。不过，在气泡式喷印油墨适用的场合，我们可以得到出色的喷印效果。 4 激光式喷印 激光喷码技术相对于油墨喷码技术来说是一种更先进的技术。其原理与喷墨方式极 为类似，只是将油墨改成c 0 2 雷射光，利用电射光将工作物的表面烧灼，形成字体。此 外它除了普通信息标注功能外，激光喷码技术的防伪功能较为显著。是喷码界的后起之 秀。 2 系统总体的设计策略 在通过系统分析喷码机结构，以及相关控制理论后，把整个喷码机系统界定为典型 的嵌入式系统。所谓嵌入式系统i e e e 给出了明确定义，即为控制监视或者辅助某个设 备，机械或者工厂运作的装置，它具备以下四个特性：用来执行特定功能；以微电脑与 周边外设构成核心；需要严格的时序和稳定性：全自动循环操作。 在设计策略中，采用嵌入式系统的设计方法，同时根据企业的要求，突出低成本、 高稳定性、通用性的三大特点： 1 低成本 一般来说，喷码机的价格都在几万元以上，加之商家对墨水耗材的控制，小型企业 7 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的研究与设计 很难承担，而国外产品多数昂贵，且技术成熟，我们缺少竞争优势，所以研发一种低成 本的喷码机，满足小型企业的需求，更利于市场的拓展与产品的发展。因而一再控制研 发成本与制作成本，这就需要我们选用一种性价比较高的微控制芯片作为这个系统的控 制核心，它不仅要满足控制需要，而且还要具有对喷印数据的处理能力。 2 高稳定性 喷码机多用于生产线，稳定性至关重要，除了微控制核心芯片外，还应当辅以其他 控制芯片，分担主处理器的工作，以降低主控芯片的工作负荷，提高稳定性。此外，还 应该选用故障小，在恶劣条件下能够正常工作的喷印头，以提高整个系统的性能。 3 通用性 设计该系统时，也充分考虑到整个系统的通用性问题。在分析了一系列嵌入式系统 组成及喷码电路组成，对他们进行归纳总结，提出了最小系统+ 外围接1 ：3 的策略，即在 完成最小系统同时，可根据实际情况选择相关的外设，达到只需做少量的修改与调整即 可完成另一种实用系统的研发，从而降低研发时间与成本。 根据以上的三个特点及喷码机功能，采用模块化设计方法，将系统分成微控制器控 制喷头电路模块、喷头控制芯片电路模块、大容量存储器模块、检测与同步信息反馈电 路模块、外部f o 接口电路模块( 键盘、红外、l c d 显示) 以及系统加密电路模块等基 本功能模块组成，如图2 5 所示。 图2 - 5 系统结构图 3 第二章喷码机系统的设计策略 3 系统主控模块的设计策略 2 3 1 系统主控芯片的选择 主控芯片是整个喷码机系统的核心部分，它需要完成控制喷头喷印、喷印资料的显 示、检测外部中断、与上位机进行通信下载资料等大量工作，因此要求它的接口要方便， 便于和外设进行配置：与此同时它还要有一定的数据处理能力，能够对喷印数据进行快 速处理，便于喷头控制器识别。 根据上面主控芯片的特点，我们最终选用数字信号处理芯片( d s p ) 嘲，作为整个 系统的控制核心。 d s p 芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现数字信号处理算法而设计的、具 有特殊的结构的微处理器。实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处 理运算。为了快速实时地完成数字信号处理运算，d s p 芯片一般具有这些特点n 町： ( 1 ) 快速的运算速度； ( 2 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算； ( 3 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 4 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 5 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： ( 6 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 8 ) 可以并行执行多个操作； ( 9 ) 支持流水线操作，使取指，译码和执行等操作可以重叠执行。 d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，水线操作，提供特殊的d s p 指令， 具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，可以用来快速地实现各种数字信号处理 算法。实际上，d s p 器件不仅使数字信号处理从仅限于理论研究推广到实际应用，而且 拓宽到了系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电子产品。自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞速的发展。它的高速发展，一方面得益 于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在近2 0 年的时间里，d s p 芯 片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越 9 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的研究与设计 来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的主要供应商包括美国 的德州仪器公司( 1 1 公司) 、a d 公司、a r & t 公司、m o t o r o l a 公司等，其中t i 公司的 d s p 芯片占世界d s p 芯片市场近5 0 0 , 6 ，在国内也被广泛地采用。 最后，我们确定了以t i 公司出品的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的d s p 芯片作为整个控制的核 心部分。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列中的高速产品1 ，其内部采用改进的h a r v a r d 结构，使用了多总线技术，使得1 条指令可以同时访问程序空间和数据空间，具有高度 并行性。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的以下特点适应系统要求n ： ( 1 ) 处理速度快。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 单指令周期为1 0 n s ，最大运算能力为1 0 0 m i p s ， 并且在一个指令周期内可完成两次读和一次写操作。在t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列的指令集中 提供了并行指令，能够在完成一次应用指令的同时完成并行存储功能，运行效率高。 ( 2 ) 充足的可寻址空间。1 m b 程序存储空间，6 4 k b 数据存储空间，6 4 k bf o 存 储空间) 。内置4 k br o m 和1 6 k b 的双存取r a m 可在内部总线速率下全速运行。外 部存储空间可分别独立设置总线等待时间，便于与不同速度器件接口。 ( 3 ) 内置可编成同步串口，增强的h p i 接口等，方便与外界的通信。 ( 4 ) 芯片采用低功耗设计，可动态配置主频，并有多种待机方式以进一部降低功 耗。 2 3 2 系统平台的搭建 整个系统平台是以d s p 芯片围核心的嵌入式系统搭建起来。由d s p 芯片的最小系 统( 即能完成d s p 芯片工作的基本电路和软件组成的系统) ，逐步扩展外围接口所构成。 系统平台结构如图2 - 6 所示： 整个系统不仅使用了d s p 芯片，还加入了一个单片机和一个可编程逻辑器件，配 合d s p 芯片工作，减小主芯片工作负荷，提高系统稳定性( 具体使用策略将在下一节 详细描述) 。 1 0 第二章喷码机系统的设计策略 图2 - 6 系统平台结构图 除此之外，本平台的另一个关键部分是外设一一喷印头的选择。目前，国内尚未由 厂商机构专门生产或者销售喷印头，而且国外这类厂家也少之又少。在通过多方查找与 咨询后，我们最终选定了英国x a a r 公司，该公司专门从事工业打印头、墨水和附件 仪器的供应。它可以供给不同的客户需求提供较为完整的喷印解决方案。由于公司出品 的喷印头已集成了喷头控制器，并且外部就有良好的电子简易接口，便于快速融合到原 始设备制作商( o e m ) 的设备终，为数字化产品开发提供了一条捷径。 本系统所使用的喷印头是英国x a a r 公司生产的x a a r j e t1 2 8 喷印头。它具有如 下特点n 羽： ( 1 ) 它的幅宽1 7 厘米，用一组喷印头就可以完成窄幅喷印，实现控制也方便 ( 2 ) 最快达到8 米分钟的喷印速度，完全可以满足流水线生产的需要 ( 3 ) 分辨率达1 8 0 d p i ，喷印效果跟普通低分辨率的喷墨打印机的效果差不多，基本 上可以保证对喷印字符效果的要求。 ( 4 ) 内部有一个3 0 引脚芯片控制器，通过这些引脚与d s p 相应引脚连接，使喷 印头的喷印驱动很容易实现。 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的研究与设计 4 系统辅助模块的设计策略 2 4 1 单片机控制的设计策略 h 幅1 本系统加入了一个单片机，辅助d s p 芯片完成从上位机下载程序的问题。减少d s p 芯片在其他辅助环节的工作开销。单片机尤其是以8 0 5 1 为内核的单片机是微控制器里 的佼佼者，其具有内部结构简单、应用技术成熟、工作稳定、价格低廉等特点，但由于 单片机是被用做与d s p 芯片配合使用，因此在选型方面有比较特殊的要求。 首先，作为配合d s p 工作，它必然会与主控芯片进行通信，但系统中d s p 芯片的 工作电压为3 3 v ，其核内电压也仅为1 8 v ，主控芯片输入腧出电压低于常用工作电压 5 v 的单片机。若单片机长时间与d s p 芯片通信，势必造成主控芯片始终工作在非正常 的高电压负荷状态，将导致一系列的后果。若加入缓冲器，又会影响电路的规模与通信 的复杂性，增加不必要的麻烦。因此必须选用一片工作电压为3 3 v 的单片机，这样才 能达到电压匹配，降低风险的目的。 其次，单片机内部要有较大的f l a s h 程序存储空间，利用外围接口与 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的上电导载的特点，m c u 与d s p 共享f l a s h 程序存储空间。既可以 做为d s p 芯片的程序固化存储器，也可以做为单片机程序的存储空间。这样可以省去 了d s p 还需要另外扩展非易失性存储器用于固化程序的麻烦，而且由于是在单片机内 部的f l a s h ，易于对其进行加密，增加的整个系统的仿制难度。 最后，此单片机还要具有i s p ( 在系统中编程) 和i a p ( 在部分中编程) 的功能，便于 日后对程序的升级，程序的修改。 综上所述，s t c 8 9 l e 5 1 6 对) + 单片机成为最终的选择。其工作电压为3 3 v ，低功耗， 内部有6 4 k 的可加密f l a s h ，只可写入而无法从外界读取，并且只需通过r s 2 3 2 串行 通信即可完成从p c 机下载程序，接口简单，无需再添加新的编程工具。 2 4 2 可编程逻辑器件的使用策略 1 州1 7 1 由于系统使用d s p 作为主控芯片，工作频率较高，传统的分立式元件的速度无法 满足其工作频率的要求，而且当器件较多时，必将导致p c b 面子增大、电路复杂、可 靠性下降。系统选用c p l d ( 可编程逻辑器件) ，将硬件软化，对降低电路规模、提高 系统稳定性都起到了很好的作用。 1 2 第二章喷码机系统的设计策略 p l d 是7 0 年代初发展起来的新型数字器件，它是电子设计领域中最具活力和发 展前途的一项技术。其影响丝毫不亚于单片机的发明和使用。它的主要特点如下： 1 逻辑功能以编程实现。p l d 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传 统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统，将大部分的硬件设计 转化成软件设计，实现“软件硬化 。同时可编程的灵活性和便捷性给逻辑控制带来了 极大的便利，现在，构成数字系统仅需要三类“积木块 实现，即微处理器、存储器和 可编程逻辑器件( c p u + r a m + c p l d f p g a ) 。 2 通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用 p l d 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路，工作速度很高。 3 p l d 器件的规模越来越大。p l d 器件已进入大规模或超大规模集成电路时代， 一片p l d 器件就可以构成一个数字系统，符合仪器或电子产品小型化、系统芯片化的 发展趋势。 因此，使用p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高 系统的可靠性。p l d 的这些优点使得p l d 技术在9 0 年代以后得到飞速的发展，同时 也大大推动了e d a 软件和硬件描述语言的进步。 综上所述，我们为系统选用了一片由a l t e r a 公司出品的e p m 7 1 2 8 s t c l 0 0 可编程逻 辑器件，来完成基本逻辑门和i o 口的扩展并且辅助d s p 芯片完成部分人机交换控制。 这样，除了减小了电路规模，提高系统稳定性外，还增强了系统的保密性能，增加的仿 制的难度。 1 3 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的设计和研究 第三章喷码机最小主控系统的设计 最小系统设计是整个d s p 板开发中的核心内容，其成功与否直接关系到整 个喷码机主控系统设计的成败，本章在简要介绍1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 基本特点的基 础上，对d s p 最小系统进行了分析与设计。 1 最小系统设计方案概述 3 1 1d s p 板最小系统设计策略 本最小系统板的设计主要是从传统的d s p 最小系统入手，根据喷码机设计 的特点与要求来完成的，最终在最小系统的基础上完成喷码机的外围接口设计。 最小系统板的主要功能：根据实际情况，通过r s 2 3 2 串口将已在上位p c 机编 写好的应用程序，下载到m c u 的f l a s h 中，脱离p c 机，系统上电，d s p 芯 片能够自动通过h p i 口将m c u 的f l a s h 内的程序搬移到v c 5 4 0 2 片内r a m 和扩展r a m 中执行。实旅对系统内核、时钟、频率、片上外设进行初始化，分 配存储空间，设置中断向量表，控制外部存储器，完成指定的具体任务，并且还 可以通过j t a g 仿真接口对v c 5 4 0 2 实施仿真操作。 综上所述，将最小系统分为两个单元，基于d s p 的主控单元和基于m c u 的 程序下载单元。 3 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 简介n 2 1 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称v c 5 4 0 2 ) 是t m s 3 2 0 c 5 4 x x 系列中的一员，它具有 高度的操作灵活性和运行速度，使用改进的哈佛结构( 一组程序存储器总线，三 组数据存储器总线，四组地址总线) ，具有专用硬件逻辑的c p u 片内存储器、片 内外设以及一个高度专业化的指令集。 1 总线结构 v c 5 4 0 2 包括8 条1 6 比特宽度的总线，其中： 1 4 第三章喷码机最小主控系统的设计 一条程序总线( p b ) 三条数据总线( c b 、d b 、e b ) 四条地址总线( p a b 、c a b 、d a b 、e a b ) 2 中央处理器单元( c p u ) 4 0 比特的a l u ，其输入来自1 6 比特立即数、1 6 比特来自数据存储器的数据、 暂时存储器、t 中的1 6 比特数、数据存储器中两个1 6 比特字、数据存储器 中3 2 比特字、累加器中4 0 比特字。 2 个4 0 比特的累加器，分为三个部分，保护位( 3 9 3 2 比特) 、高位字( 3 1 1 6 比特) 、低位字( 1 5 一o 比特) 桶型移位器，可产生0 到3 1 比特的左移或0 到1 6 比特的右移。 1 7 x 1 7 比特的乘法器 4 0 比特的加法器 比较选择和存储单元c s s u 数据地址产生器d a g e n 程序地址产生器p a g e n 3 片内外设 通用i o 引脚，x f 和b i o 定时器 p l l 时钟产生器 一个增强型h p i 口，8 b i t 1 6 b i t 两个多通道带缓存串口，m c b s p 时分复用串口，t d m 可编程等待状态产生器 可编程b a n k - - s w i t c h i n g 模块 外部总线接口 i e e e l l 4 9 1 标准j t a g 口 3 2 基于d s p 的主控单元 基于d s p + m c u + c p l d 的喷码机系统外围接口的设计和研究 3 2 1 外部扩展存储器设计 要完成存储器的扩展，必须先从v c 5 4 0 2 的存储结构来入手n 刖。 一般的来说，c 5 4 x x 系列的d s p 芯片存储空间可达1 9 2 k x1 6 b i t ，6 4 k 程序 空间，6 4 k 数据空间，6 4 k i o 空间。依赖其并行的工艺特性和片上r a m 双向访 问的性能，在一个机器周期内，c 5 4 x 可以执行4 条并行并行存储器操作：取指 令，两操作数读，一操作数写。使用片内存储器有三个优点：高速执行( 不需要 等待) ，低开销，低功耗。 v c 5 4 0 2 有2 0 根地址线，在扩展寻址模式下最大程序寻址空间可达到1 m x 1 6 b i t ，内部存储资源包括4 k x1 6 b i t 片内r o m 和1 6 k 1 6 b i t 的d a r a m 。片内 r o m 中固化了t i 公司提供的b o o t l o a d e r 代码，用于系统上电时，将存储于外部 存储器的程序代码搬入片内或者扩展的r a m 中运行，用户不能占用片上r o m 空间。图3 1 为v c 5 4 0 2 的内部存储空间分配图： 我们设计的系统主要是对d s p 的静态存储空间进行的扩展。选用 c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 1 2 的s r a m 作为系统的程序空间。原则上还应当为v c 5 4 0 2 配置 一片外部f l a s h 存储器，用于固化系统应用程序，但由于选用了单片机内的 f l a s h 存储器作为固化应用程序的介质，因此f l a s h 的扩展这里不再做详细的 介绍。 s r a m 是一种价格比较贵的存储器，而且占用的物理空间比较大，难于集成， 但是因为它不用刷新，所以访问速度快。用来做d s p 的程序运行空间，可以完 全发挥d s p 的高速处理数据的能力。根据系统应用程序所占的空间，我们选用 的s r a m 是c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 n 们，它是一款高性能的c m o s 静态 r a m ，大小为0 4 k x1 6 b i t 。芯片的主要特点是：3 3 v 低电压操作，可以完全配 合3 3 v 的d s p 外围接口使用；访问周期为1 2 n s ，具有自动断电特性，再取消选 择时，能显著减小功耗。其芯片引脚功能见表3 1 。系统工作时，c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 作为d s p 的片外扩展程序存储器，映射到d s p 的程序空间0 0 0 0 h 0 f f f f l l ，利 用d s p 配置文件，可将程序下载到存储器的指定地址。 1 6 第三章喷码机最小主控系统的设计 地址 o o o o 0 0 7 f 0 0 8 0 3 f f f 4 0 0 0 f f 7 f f f 8 0 f f f f 程序存储空间 罗7 、7 ； 甲。z 髯 誉7 ，保留叠 茏( o v l y 2 1 ) 7 i 男1缓 兹外部存储器锈 鬈( o v l y = o ) l 薹| i ：鑫黼蒜女蒜籀盘篇豁篱箍筑2 & 磊荔 片上d a r a m ( o v l y = 1 ) 外部存储器 r o v l y = o ) 外部存储器 中断矢量表 外部存储器 地址 0 0 0 0 0 0 7 f 0 0 8 0 3 f f f 4 0 0 0 e f f f f o o o f e f f f f 0 0 f f 7 f f f 8 0 f f f f 程序存储空间 保留 疆 l ( o v l y = n ，i 荔外部存储器 黎( o v l y