（精密仪器及机械专业论文）高性能喷墨绘图控制器研究.pdf

摘要 喷墨绘图仪是一种重要的计算机外部设备，随着电子技术的发展，极大地改 善了促进了喷绘技术的发展，使得高速、高精度喷墨打印成为可能。 本文在分析绘图仪和喷墨头工作原理的基础上，结合某型号热泡式喷墨头， 分析了该喷墨头的驱动方式，驱动时序对墨滴的影响，并提出了对墨滴精确控制 的方法。其次，提出了基于f p g a 的模块化设计，实现了多喷墨头并行工作；针 对高速、高精度打印时的数据处理要求，提出了一种基于f p g a 的乒乓缓存的高 速打印数据处理方法，最终实现了8 m 2 h 的打印速度和1 2 0 0 d p i 的打印精度，基 本达到了国外主流样机的性能指标。 关键词：绘图仪热泡式 f p g a绘图控制器 a b s t r a c t i n k - j e tp l o t t e ri sa k i n do f i m p o r t a n tc o m p u t e rp e r i p h e r a l ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ep r o m o t i o no ft h ep r i n t i n gt e c h n o l o g y , e n a b l e sh i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o ni n k - j e tp r i n t i n gp o s s i b l e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ei n k - j e tp l o t t e r , a n dt h e c o m b i n a t i o no fap a r t i c u l a rm o d e lh o t - b u b b l ei n k j e th e a d ，a n a l y z et h ei n k - j e th e a d d r i v i n gm e t h o d ，t h ei m p a c tt ot h ed r o pb yd r i v et h et i m i n g ，a n dp r e c i s i o nc o n t r o l m e t h o d st ot h ed r o p s e c o n d l y , p r o p o s e df p g a - b a s e dm o d u l a rd e s i g ni m p l e m e n t m a n yi n k - j e th e a dw o r ka tt h es a m et i m e f o rt h ed a t a p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sw h e n t h et i m eo fh i g h - s p e e d ，h i g h - p r e c i s i o np r i n t ，p r o p o s ea nf p g a b a s e dh i g h - s p e e d p i n g - p o n gc a c h em e t h o d s ，a n du l t i m a t e l yi m p l e m e n tt h ep r i n ts p e e do8m 2 ha n dt h e p r e c i s i o no f12 0 0d p i ，t h e s ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s h a sb a s i c a l l yr e a c h e dt h e m a i n s t r e a mo ff o r e i g np r o d u c t s h o t - b u b b l ef p g a i n k - j e tc o n t r o l l e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期掣 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期金望望星：三! 篷 日期攀卜 第一章绪论 第一章绪论 1 1 喷墨绘图仪概述 绘图仪是种重要的计算机外部设备，其主要功能是用来输出文字图像。与 打印机不同，打印机是用来打印文字和简单的图形，想要精确的绘图，如绘制工 程中的各种图纸，就只能使用专业的绘图设备绘图仪了。 随着数字彩色印刷系统工业力量的不断增强，喷墨印刷系统的发展已经有几 十年历史了。据i t 战略公司的预测，喷墨系统在全世界的收入，包括硬件、承 印物和油墨，有望在2 0 0 9 年超过5 7 0 亿美元，这一数字将比2 0 0 4 年增长3 5 。 几乎所有的喷墨技术的应用领域都将呈现出增长的势头：在宽幅面打印领域， 喷墨系统将取代静电打印机；在包装领域，喷墨技术将打开短期促销广告的市场； 在传统印刷领域，喷墨印刷机能够完成书刊的印刷，或在高速和低速的情况下进 行高质量的四色印刷；其他领域还包括：可变数据印刷，直邮信件以及一些我们 现在还不知道的应用领域。 从原理上分类，绘图仪分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式等。笔式绘图仪 是通过控制绘图笔在纸面上直接接触运动画出相应的图形线条进行图形输出的， 其最大的缺点在于笔式绘图仪只能输出线条图或矢量图，对于点阵图形的输出则 无能为力。采用了喷墨技术来实现工程绘图输出的设备称为喷墨绘图仪，相对于 笔式绘图机，喷墨绘图机具有输出速度快，输出图形质量高，运行成本低，便于 维护等优点。 而从结构上分，绘图仪又可以分为平台式和滚筒式两种。平台式绘图仪的工 作原理是在信号的控制下，笔或喷墨头在x 、y 方向移动，而纸在平面上不动， 从而绘出图来。滚筒式绘图仪的工作原理是，笔或喷墨头沿x 方向移动，纸沿y 方向移动，这样，可以绘出较长的图样。 绘图仪绘图也有单色和彩色两种。目前，彩色喷墨绘图仪因其诸多优点，而 且价格也不贵，正逐步取代笔式绘图仪成为绘图仪的发展方向。l l j 1 2 国内外喷绘技术的现状及发展 喷墨绘图仪有两个最重要的性能指标，一个是喷墨打印的输出质量，另一个 就是速度。 影响速度的因素主要有：l 、选择的喷墨头方式，一般压电式喷墨头要比热泡 2 高性能喷翠绘图控制器研究 式喷墨头打印速度快；2 、数据传输方式，如用u s b 2 0 接口代替传统的网络接口 以提高数据传输率；3 、增加喷孔或喷墨头数量，通过提高每扫描行的打印面积来 提高速度。 影响喷墨打印输出质量主要包括几下几种因素：打印分辨率、喷孑l 数量、墨 滴大小、墨水颜色数，以及墨水、承印物的材质质量等，目前喷绘技术的发展也 多集中于这些领域。下面介绍一下常见的提高喷墨打印输出质量的方法。 1 、提高打印分辨率 打印分辨率是喷墨绘图仪输出质量的一个重要指标，一般以d p i ( d o tp e ri n c h ， 即每英寸墨点个数) 来表示。一般来说，d p i 越高，打印精度就越高，打印图片 质量也越精细。提高d p i 最直接的方法就是增加单位面积的喷孔数目，目前，包 括h p ( 惠普) 、c a n o n ( 佳能) 、e p s o n ( 爱普生) 等公司均已推出2 4 0 0 d p i 甚至 更高分辨率的喷头。另外通过精细控制喷头的移动，采用插补的方法，也可间接 达到提高d p i 的目的。 2 、控制墨滴 很显然，更细小的墨滴，可以得到更加精细的输出质量。而且墨滴的大小不仅 影响打印精度，同时也影响输出色彩的层次。墨滴越小，在每一个像素点上就可 以覆盖更多的墨滴，从而调和出更加丰富的色彩。h p 公司的墨头可将墨滴控制 在1 0 p l 以内，对同一像素可多次( 可达1 6 次) 喷，如此可以显著增加色阶，使 得输出色彩更加的细腻。 3 、增加墨色 现在一般入门级的喷墨绘图产品多采用四色喷墨，即k ( 黑) c ( 青) m ( 品 红) y ( 黄) ，为了提高色彩的表现力，增加到六色，即增加了c l ( 淡青) 和m l ( 淡品红) 。c a n o n 公司提出了一种称为四重色技术的更加精细的颜色方案，它保 持墨盒中现有的色彩种类( k c m y ) ，将其中红和青的浓度改为普通浓度的1 3 ， 使得着两种颜色的点浓度有原来的两种( 无或有) 变成了四种( 无、1 3 、2 3 、 满) ，黑色为普通的1 2 ，黄色浓度不变。打印时增加喷墨头对每一个像素点的扫 描次数( 每点可扫描3 次) ，这样可使输出图像得到更佳的色彩效果。 4 、提高耗材质量 喷墨绘图的主要耗材包括墨水和打印介质。通过改善墨水中色素颗粒大小，可 以得到更加纯净细腻的色彩，另外墨水的酸碱度等化学效果也影响喷头的使用寿 命，而有些化学元素甚至会影响人们的健康。而介质主要体现在对墨水的吸收能 力，太强容易产生雾状扩散而使图片模糊，太差则会使墨滴浮于表面而破坏色彩 表现。 第一章绪论 1 3 1 选题来源及技术指标 1 3 本文的工作 论文选题来源于科研项目“大幅面彩色喷墨绘图控制器研制”，主要目的是研 究有关喷墨头部分的关键技术，最终完成一台彩色喷墨绘图仪功能样机。 功能样机具有的功能：能够输出黑白和彩色的图像及文字；能够提供1 、3 、4 、 6 、8 p a s s 等多种绘图模式。 功能样机主要技术指标： 绘图分辨率：6 4 0 d p i 、1 2 0 0 d p i 绘图宽幅：6 0 英寸( 1 5 米) 绘图模式：1 、3 、4 、6 、8 p a s s 绘图速度：1 p a s s 模式下5m 2 h ，4 p a s s 模式下8m 2 h 基色数量：k 、c 、m 、y 四色 1 3 2 本文的主要工作 本文主要负责设计和实现喷墨头控制器，以满足功能样机的技术指标。具体包 括以下几个方面： l 、分析热泡式喷墨头的工作原理 2 、研究某型热泡式喷墨头的驱动控制方法 3 、研究热泡式喷墨头墨滴大小控制方法 4 、研究多喷墨头并行打印控制方法 5 、研究高速、高精度打印时数据处理方法 第二章喷墨头驱动控制设计 第二章喷墨头驱动控制设计 2 1 1 热发泡式喷墨头 2 1 喷墨头的工作原理 一、热发泡式喷墨头的基本工作原理 日本c a n o n 公司在1 9 8 0 首次开发出这种喷墨技术，它的原理是：在一个针式 喷嘴内注入墨水，在喷嘴的侧壁上安装热敏电阻元件，一旦加上脉冲电压，热敏 电阻元件发热，使靠近该处的墨水层急剧汽化，产生膜沸腾现象，即在热敏电阻 元件附近的墨水产生气泡，瞬间气泡内的蒸汽压力增大，并使气泡扩大，从而将 喷嘴头部的墨水挤出口，滴落在记录介质上，形成记录。这种喷墨技术的优点是 喷嘴体积小、功耗低、易于实现多嘴高密度化和彩色化。【2 j 热发泡喷墨头的单个喷嘴的结构如图2 1 所示。在热敏电阻元件上覆盖一层耐 氧化层s i 0 2 ，最外层是耐磨层t a 2 0 5 。热敏电阻元件的驱动条件是脉冲电压幅度 为2 5 v ，电流2 0 0 m a ，脉宽1 0 u s ( 不同的型号参数略有不同) 。为了实现多嘴同 时驱动，脉冲上升沿时间应尽量小。这种热敏电阻元件的热响应频率特性高达 1 0 k h z 以上，因此完全可以实现高速喷墨。 耐磨屡 图2 1 热发泡式喷墨嘴结构 上述所谓的膜沸腾现象是产生气泡的关键，这种现象具有以下性质：在水和 炽热物体的界面上产生一定厚度的蒸泡层( 气泡) ，这种气泡随着物体的冷却又会 消失。故热发泡式喷墨技术的膜沸腾现象是在热敏元件所在喷嘴表面处的墨水里 产生的。 二、热泡式喷射方式和过程 根据气泡膨胀方向和墨水喷射方向的不同，分为两种喷墨方式：以c a n o n 公 司为代表的是气泡膨胀方向与墨水喷射方面垂直；以h p 公司为代表的是气泡膨 胀方向与墨水喷射方向一致。 6 高性能喷墨绘图控制器研究 l 、c a n o n 方式 c a n o n 公司的热发泡式喷墨技术的喷射过程如图2 2 所示。热敏电阻元件在 脉冲电流作用下，其表面急剧加热。与热敏电阻元件表面接触2 3 u m 的墨水层温 度可达1 5 0 2 0 0 。c ，墨水层急剧被汽化，产生约有1 0 个大气压的蒸汽压( 过程) 。 过程是形成最大气泡的状态，喷嘴处的墨水开始被挤向外，此时热敏电阻断电 并开始冷却。进入过程，气泡和墨水的界面开始冷却，气泡骤然收缩，喷嘴处 被挤出墨水形成墨滴。到了过程时，气泡已经消失，墨滴已滴落，一个喷射过 程结束。 徘、耋 气泡、蚕 由函；挫 f 董曩夹复动徭块 = 爿 f 曩曩辩f l _ j 。一 数据3 l 二二二二：= 爹l 啧叠头驱动橇块 j 二二：二= ： i 啧毫头3 1 数据4 i ：= = ； f 噎墨垒囊动嵌块 i 亡二= 二二：二： | _ - 共4 图3 2 以喷墨头为单位的模块化设计 但是该方法也有缺陷，首先可能存在驱动信号的不匹配现象。在实际调试中 就曾出现数据与移位时钟产生了错位，而导致打印错误。究其原因，可能是因为 f p g a 内部布线不同，使得信号通过不同的路径而产生延时，而在一般的编译过 程中，布线的是按照编译软件的规则自动产生，带有一定的不确定性。对于该问 题的解决，可以通过使用更专业的编译软件或手动布线，使信号的延时最小或一 致。而由此却会带来设计的更加繁琐，延长设计周期。 第二章多喷墨头并行打印驱动没计 2 3 其次，对各个喷墨头驱动时序的重复设计，降低了f p g a 内部资源的利用率， 带来不必要的成本损失。 3 2 2 以驱动信号为单位的模块化设计 喷墨头的驱动信号分为数据信号和控制信号两部分，显然各个喷墨头的控制 信号均是相同的，区别仅仅在于输入的数据。因此可以采用以驱动信号为单位的 模块化设计。即使用一个控制模块产生出的控制信号，送给各个喷墨头，而数据 也进行统一的处理后送给各个喷墨头( 见图3 3 ) 。 回 回 回 田 图3 3 以驱动信号为单位的模块化设计 该方法的最大好处是，采用同一模块产生驱动信号，因此可以避免产生布线 延时而带来的时序不确定性，最大限度的保证控制时序的匹配。另外大大提高了 f p g a 资源的利用率，方便以后更换更少资源的器件以降低成本。 由于各个喷墨头的驱动控制信号均相同，以此无法对每一个喷墨头实现墨滴 的精确控制，这对将来打印精度的提高带来一定的影响。 3 3 多喷墨头彩色喷墨效果 由于只采用了黑( k ) 、蓝( c ) 、品红( m ) 、黄( y ) 四种颜色来实现彩色输 出，必然要求对同一个像素点进行多次重复喷墨，以得到彩色效果。例如要得到 “绿 这一颜色，按照三原色原理，只需要将“青 和“黄”进行混合，即重复 喷墨便可得到。但是“青 和“黄”覆盖次序的会影响颜色效果。 假设红头和黄头采用“青左黄右”的排列方式，当字车由左往右运动时，对 同一点p 必然是先黄头喷墨再青头喷墨；当字车由右向左运动时，则是先青头喷 墨再黄头喷墨。这就得到两种不同的覆盖次序( 如图3 4 ) 。 曰曰曰马 高性能喷墨绘凹控制器研究 ( a ) 先黄后青喷墨效果图( b ) 先青后黄喷墨效果图 图3 4 多色覆盖喷墨效果图 出上图我们可以看到两种不同的颜色效果：采用先黄后青方式( ( a ) 图) 得到 的绿色比采用先青后黄方式( ( b ) 图) 得到的绿色，在视觉上颜色史加鲜艳；( a ) 幽显示的绿更加翠绿，而( b ) 图显示的绿则有些偏蓝色。 墨水叠加顺序的不同f | i 产生颜色的偏差，可能的原因在于纸张对墨水的吸收 不同，先喷的吸收的量更多，后喷的吸收的相对较少，这就使在同一点上两种颜 色墨量不同。 第四章高速、高精度打印的数据处理方法 第四章高速、高精度打印的数据处理方法 4 1 高速、高精度打印对数据处理的要求 一、大容量数据 在进行高精度打印时所需要处理的数据量是非常惊人的。假设打印精度为 1 2 0 0 x 6 0 0 d p i ，采用四色模式打印，图宽为6 0 英寸( 1 5 m ) ，则：每p a s s 包含的 像素点个数为2 3 0 4 0 0 0 0 点；每p a s s 产生的数据量为2 7 5 m b ；四个喷墨头并行打 印产生的数据量为11 m b 。 实际上因为需要对喷墨头进行补“0 ”，每p a s s 还需要增加6 英寸( 3 个喷墨 头宽度) 的数据量，再加上一些必要的控制命令，因此1 个p a s s 总共会产生约 1 3 m b 的数据量。对于一幅1m 2 ( 6 0 x 2 6 英寸) 的图，产生的数据量就达6 7 6 m b 。 巨大的数据量要求系统必须提供一定容量的存储器用以存放数据，这其中不 仅需要存储当前需要打印的数据，还需要存储下次即将打印的数据，以保证打印 的连续性。 二、高速数据传输率 若采用1 p a s s 模式打印，在打印速度达到1 8 m 2 h 时，打印l m 2 ( 6 0 x 2 6 英寸) 需要的时间为2 0 0 s ；打印1 个p a s s 需要的时间为3 8 5 s ；如果除去伺服电机在加 减速过程中用掉的时间，以及步进电机输纸的时间，打印1 个p a s s 大约需要2 7 s ， 那么打印l 列需要7 5 u s ；1 列产生的数据量为8 0 b y t e ，因而对于每一个喷墨头， 所要求的数据传输率为1 0 6 7 m b p s 。 较高的数据传输率要求在数据接口处增加缓冲，同时为了确保数据的正确性， 还需要在外围硬件电路，以及f p g a 内部做特殊处理。 4 2 高传输率数据处理方法 4 2 1 高传输率数据的处理方法 一、串并转换 串并转换是数据流处理的常用手段，也是f p g a 设计当中面积与速度互换思 想的直接体现。 在相同的码率下，并行传输方式拥有数倍于串行传输方式的能力，例如1 6 b i t 并行传输方式即为串行传输方式的1 6 倍。因此在一般情况下，采用并行传输方式 高性能喷昱绘图控制器研究 可以得到更高的数据传输率。 但是由于在并行方式下，数据在各个通道到选终点的时间不一致，这就制约 了传输率的进一步提高，以及传输距离的长度，另外各个通道之间产生的电磁兼 容效应也影响了数据的稳定性。而串行传输却没有这些瓶颈，因而串行方式可| 三i 更高的码率传输( 通常可达到g b p s 级) 。 串井转换实现的方法虽然多种多样，但是其基本原理却是一致的，那就是使 用移位寄存器。以串行转并行为例。串行的数据流a 0 ，a i 一，a 7 ， ，在移位 时钟的作用下进入移位寄存器，等到达到所要转换的并行位宽，再一并输出，即完 成一次串并转换。并行转串行过程与此刚好相反。 根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、双口r a m ( d r a m ) 、单 口r a m ( s r a m ) 、f i f o 等实现。若想要数据的缓冲很大，可以通过d r a m 实 现数据流的串并转换，对于数据量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。 一般在f p g a 系统中应该用同步时序设计完成串并之间的转换。 二、流承线处理 流水线处理是高速设计巾的一个常用设计手段。如果某个处理流程分为若干 个步骤，而且整个数据处理是单向的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的 输出是下一个步骤的输入，侧可以采用流水线设计方法来提高系统的工作频率。 流水线设计的设计时序如图42 所示 图4 2 流水线j 柞步骤 三、硬件处理 喷墨绘图仪要实现打印是通过喷墨头在x 方向的横向移动和打印介质在y 方向的纵向移动来实现的，因而送往喷墨头驱动电路的数据信号线和控制信号线 等也需要随着喷墨头做高速运动。在结构上将数据信号、控制信号，以及对喷墨 头驱动电路的供电线路通过排线方式传送，并将排线插入皮带轮中，保证排线可 以随字车共同运动。 但这样也使得排线长度达到了25 米以上的距离，再加上伺服电机和步进电 机，以及系统电源产生的电磁辐射，这就导致数据传送的正确性难以得到保证。 为了解决这个问题，选用了差分方式传送信号。 差分信号( d i f i e r e n t i a ls i g n a l ) ，通俗的说，就是驱动端发送两个等值、反相 第四章高速、高精度打印的数据处理方法 2 7 的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态是“0 ”还是“l ”。 差分信号和普通的单端信号线相比，最明显的优势体现在一下三个方面： 1 、抗干扰能力强。因为两根差分线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时， 几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以 外界的共模噪声可以完全抵消。 2 、能有效抑制e m i 。同样的道理，由于两根信号的极性相反，它们对外辐射 的电磁场可以相互抵消。 3 、时序定位精确。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像 普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺、温度的影响小， 能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。 图4 3 差分信号 正是因为差分信号这些优点，它在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路 中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。 四、缓冲处理 由于两个设备的数据处理能力不同，或者实现不同时钟域之间的数据传输， 在接口处往往需要进行数据缓冲处理，增加数据缓冲器。根据条件的不同选择不 同的缓冲方式，通常都采用b u f f e r 或者f i f o 。 4 3 乒乓缓冲控制器设计 一、乒乓操作 为了解决系统对大量、高速数据处理的要求，采用乒乓缓冲方式对数据进行 缓冲处理。 乒乓缓存结构是常用的数据缓冲处理方式，这种结构是将输入数据流通过数 据选择单元将数据流分配到两个数据缓冲区。乒乓缓存结构有两种操作模式，一 种是等时切换，一种是空满切换。 等时切换的操作过程是：在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到数据缓 冲模块l 上，在第二个缓冲周期，通过输入数据选择单元的切换，将输入的数据 流缓存到数据缓冲模块2 ，同时，将数据缓冲模块1 缓存的第一个周期的数据通 高性能喷墨绘图控制器研究 过输出数据选择单元的选择，送到运算处理单元进行处理。在第三个缓冲周期， 再次切换数据的输入与输出缓冲模块，如此循环，周而复始。 空满切换则采用如下操作过程：在初始状态下，将输入的数据流缓存到数据 缓冲模块1 上，待缓冲模块l 被填满后，将数据流切换到缓冲模块2 ，继续接收 数据；此时输出数据流指向缓冲模块l ，允许输出数据。当缓冲模块2 也被填满 后，将输入数据流指向缓冲模块1 ，但此时是否允许写入则看该模块是否已被读 空( 采用f i f o 做缓冲模块则检验空满) ；当缓冲模块1 内数据被读空，输出数据 流切换到缓冲模块2 ，此时允许写模块l 。 图4 4 乒乓操作示意图 缓冲模块可有多种选择，包括s r a m ，s d r a m ，f i f o 等。s r a m 实现方案 较为简单，易于调试，但s r a m 价格较为昂贵，不利于成本控制；s d r a m 价格 较为低廉，但要求刷新电路不断的刷新来保证数据存储，使得实现较为繁琐，且 难于调试。 二、乒乓缓冲控制器的f p g a 设计 1 、缓冲模块 为了降低成本，简化硬件电路，同时也为了最大限度的利用f p g a 的片内资 源，在f p g a 内部直接生成两片双口r a m ，作为缓冲模块。乒乓操作采用空满 切换方式。 利用q t m r t u si i 提供的i p m 模块可以直接生成双口r a m ，只需要设置一下数 据的位宽和存储深度即可。 双口r a m 写入和读取数据，要求提供地址来确定操作单元。此处是作为数 据流缓冲处理，不需要按地址任意的操作读写单元，因此可以根据输入数据同步 时钟和输出数据同步时钟自动顺序生成地址，简化f p g a 内部操作。根据生成的 地址也可以很容易的知道r a m 当前的空满状态。 第四章高谜、高精度打印的数据处理方法 醛三簪翻 导雾= 学4 制蔓广_ “_ _ 一 r - 一- ”j 兰 一 图45 q m w 啦l l 生成的敢口r m ：f 。 二“f 。一。_ ：i 1 7 。7 一 、【。 - - i 一 _ ：_ ：。= g j 型m 型塑塑笪型生一一竺l 二二二二二二二二 ：【一j 1 - l i _ 一 1r 1 一n 一一一n i n r 。n ：| = ：i = 一= = = = = = = = = = 一in1一一一一一一1一 “f ，j 1hh i 2 2 = 2 = o o 2 = = = 2 二 目”f _ _ = 二二i ! 一，。* 】i - 、”1 一 l = l 。c 一一个_ _ - i ：rr - t 。l ，1 1 ，1 ，xc ：rf 号争8 ：o 1 ”州4 m ”，慨玎 = j 一n 一一 暇7 二= 二_ = = 二二= 二= ， 图4 6 存储深度为1 6 个字双口r a m 仿真幽 2 、数据选择单元 数据选择单元是乒乓操作的核心，只有正确的在两块存储器之问进行切换， 才能实现对数据的缓冲处理。对于空满切换方式，最重要的就是判定各个存储模 块的空满状卷，而之前的设计已经很容易的得知r a m 当前的空满状态，这就为 后续的设计带来方便。 i 匿 i 星量 3 、乒乓操作 图4 7 数据选择单元仿真匿 3 0 商性能喷墨绘图控制器研究 bh 日。”0 m 1 0 _ l 。一 w 啊啊啊 出。删2 _ 麟靴龇一 州饼黼黼堕i 州黼_ 二二竖一r _ m m h m m 1 m m m r 1 槲m 一 ，“肼“m 一m z w r f w 研瓣二 l 二= 二二1 e = j m x * 幔( “矩i “m 黼l 一* m 舯蝴x 一= 二二 二m x m m lm m t m 姗x m r r r 一 l 1 li l l i i l 1 i i 一l 图4 8 存储深度为坼个字乒乓操作仿真图 4 4 打印精度的提高 打印精度是绘图仪最重要的性能指标，而今各大厂商对绘图仪的技术创新机 会都是围绕在对打印精度的提高。通常用d p i 来表示打印精度的高低，它分为横 向和纵向两个方面，例如某喷墨绘图仪的打印精度为1 2 0 0 x 6 0 0 d p i ，即表示纵向 精度为每英寸1 2 0 0 点，横向精度为每英寸6 0 0 点。 显然要提高打印精度，即可从纵向和横向两方面入手。 4 4 1 纵向打印精度的提高 一、提高喷墨头的物理分辨率 提高喷墨头的物理分辨率是提高纵向打印精度最直接也是最有效的方法。一 个每半英寸拥有6 4 0 个喷墨孔的喷墨头，可以达到1 2 8 0 d p i 的物理分辨率，而一 个每半英寸拥有1 2 0 个喷墨孔的喷墨头只能达到2 4 0 d p i 的物理分辨率。 通过增加单位长度的喷孔数，或是增加喷墨孔的列数可以实现这一目的。但 是由于是在物理层面上增加喷孔，这就对制造工艺提出了较高的要求。分辨率的 进一步提高，就意味着制造成本大幅提高，高分辨率的喷墨头往往都与高昂的价 格画上了等号。 二、差值法 插值法是通过软件计算提高打印分辨率的一种方法。对于一个拥有6 0 0 d p i 分辨率的喷墨头其一次打印可在1 英寸的长度上产生6 0 0 个墨点，墨点中心间 距大约为4 2 3 u m 。在另一次打印过程，我们让墨点恰好喷在之前产生的墨点之间， 三黧曼强巍iii；i 一 一 日 日 几日目剖圜矧圈 a * q + i 第四章高速、高精度打印的数据处理方法 3 1 这样在1 英寸的长度上就产生了1 2 0 0 的墨点，即分辨率被提高到1 2 0 0 d p i 。 图4 9 插值法提商分辨军 这样的差值可以进行多次，即在第一次打印产生的两个墨点之间，可以多次 打印，进一步提高分辨率。通过一次差值，分辨率可以提高一倍，通过多次差值， 分辨率可以提高更高的倍数。 插值法可以用较小物理分辨率的喷墨头实现较高分辨率打印，又由于是通过 软件实现，简单易行，可以成倍的提高分辨率，而成为提高打印分辨率最实用的 方法。事实上般市售绘图仪所标注的最高打印分辨率均是差值之后的分辨率。 三、多p a s s 打印 所谓多p a s s 打印，就是通过多次打印而完成对一个喷头宽度内的所有点的打 印。以4 p a s s 打印为例，如图4 6 所示，喷墨头精度为6 0 0 d p i 。第一个p a s s 喷墨 头只打印1 5 0 个点，注意，这些点都是均匀分布在一英寸的范围内；第二个p a s s 喷墨头再打印1 5 0 个点，且这些点与第一次打印的点并不重合；第三个p a s s 和第 四个p a s s 依次打印剩下的3 0 0 个点。至此四个p a s s 之后6 0 0 个点被完全覆盖。 图4 1 04 p a s s 打印示意图 从表面上看，采用多p a s s 打印并没有提高打印的分辨率，每英寸依然是6 0 0 3 2 高性能喷墨绘图控制器研究 个点，即精度依然是6 0 0 d p i ，但是在多p a s s 打印模式下，墨点对同一区域进行 了多次覆盖( 采用几p a s s 打印即覆盖几次) ，使得墨点分布的更加均匀，在视觉 上提高了打印的质量。 4 4 2 横向打印精度的提高 喷墨头上喷孔的排列通常呈纵向排列，每一次打印产生的墨点为一条纵向竖 线，而横向的点实际上是喷墨头多次打印而产生的。因此要提高横向打印精度， 就是要缩短连续两次打印时问的间隔，即提高触发打印的频率。 对于市售大部分的喷墨绘图仪，均是采用光栅线位移传感器产生打印触发。 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅 读数头( 内有指示光栅) 两部分组成。标尺光栅安装在仪器的固定部件上( 如绘 图仪的机架) ，光栅读数头安装在仪器的活动工作台上( 如字车) ，二者随着工作 台的移动而相对移动。当标尺光栅和指示光栅发生相对位移时，在光的干涉和衍 射共同作用下，产生黑白相间( 或明暗相间) 的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。 经过光电器件转换使黑白( 或明暗) 相间的条纹转换成正弦变化的电信号，在经 过放大、整形后，得到两路相差为9 0 0 的正弦波或方波。如图4 1 2 所示。 兜褥 图4 1 1 光栅读数头结构图 a 甫| 冉 m b | m ；_ | 阿 图4 1 2 光栅信号 一、增加光栅刻线密度 标尺光栅和指示光栅是利用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃 片，这些线相互平行，各线纹之间距离( 栅距) 相等。栅距是决定光栅光学性质 的基本参数，也直接影响横向打印精度。光栅刻线密度越大，栅距越小，相同距 圉 榭 一 * 榔阿黼躺 橼 册 髓砩心删懋一 勰粼嘲 第四章高速、高精度打印的数据处理a i 士 离内产生的光栅信号就越多，即触发打印的次数也就越多。 二、倍频光栅信号 1 、二倍频 由于光栅信号是两j ；j 相差为9 0 啪方波( 对于数字电路来说) ，可以通过简单 的信号处理得到倍频的光栅信号。 对a ，b 两路信号直接进行异或( x 0 r ) 运算，即可得到二倍频信号。 荫 m - p w tm q 7 “ 2 m0 ”0 48 oui o 0u 图41 3 二倍频f p g 仿真翻 2 、四倍频 按照两路光栅相位的先后顺序。可以分为两种情况： 当光栅信号a 的相位超前信号b 的相位9 0 。时，则在一个周期内，两相信 号其有4 次相对变化：0 0 1 0 1 1 0 1 - - 0 0 。这样在每次变化时刻 可以产生一个脉冲信号，从而实现光栅信号的四倍频。 当光栅信号a 的相位滞后信号b 的相位9 0 。时，则在一个周期内，两相信 号也有4 敬相对变化：0 0 0 1 - - 1 1 1 0 0 0 。这样同样可以实现光栅 信号的| ! ! l 倍频。 对光栅信号进行四倍频运算，不仅可以在不增加光栅物理光刻线密度的情况 下提高光栅信号密度，而且还可以根据a 、b 两相信号变化次序判断字车运动的 方向。由仿真图可以看到，两路光栅信号s i g n a l1 和s i g n a l _ 2 的相位产生变化后 ( 即发生转向) ，方向信号d i r e c t i o n 也发生反转。 高性能喷墨绘图控制器研究 瑚_ 【_ _ t _ i _ | i 舢娜u m 1 圳肌删口舢栅m 咖州_ 【| i 【珈舢叽几叽兀1 _ _ i i i 哪咖肌眦1 i _ _ _ 一l 蹦4 1 4 四倍频f p g a 仿真图 4 43 驱动时序与数据的特殊处理 由喷墨头的驱动时序可以看出，喷墨头要按要求的数据将墨点喷出，必须首 先向喷墨头送入打印数据，再在锁存信号作用下将数据压入喷墨头内的数据缓冲， 最后由加热信号将墨点喷出。在一个完整的打印周期中，锁存信号既可以选择在 加热信号之前，也可以选择在加热信号之后。 一、在加热信号之前 若锁存信号在加热信号之前，则在一次打印周期中，先将新的数据压入数据 缓冲，再进行打印，并同时向喷墨头传送下一次打印数据。这样的好处是在锁存 信号作用下压入数据缓冲的数据，正是对应当前打印的数据，使得数据与打印的 时机保持最为一致，也在逻辑上最易被人们接受。 但这里也产生了一个问题。那就是如果每一个打印周期中，都是先对数据进 行锁存，再进行打印，同时传送下一次打印数据，这在打印过程中这并没有什么 问题，问题出现在第一个打印周期中。在首次打印中，因为之前并末向喷墨头送 入数据，因此锁存信号压入喷墨头缓冲内的数据就可能是随机数，导致打印错误。 直到从第二次打印丌始，才是真正想耍的数据。 对于这个问题，可以用提前传送数据解决。在正式打印( 触发打印) 开始之 前，可以先产生一组移位时钟，将第一次打印的数据送如喷墨头。第一个打印周 期到来时，便可保证锁存信号将正确的数据送入数据缓冲。 二、在加热信号之后 若锁存信号在加热信号之后，则在一次打印周期中先向喷墨头传送数据， 同时进行打印，再将数据压入数据缓冲，为下一次打印做好准备。 这样先打印后压数的方式会导致数据与打印时机的不一致数据总是滞后于 打印时机，特别是采用地址组方式打印时，每次触发打印的最后一组数据，会延 。一。i基 k 一 一 炉凯憎焖 第四章高速、高精度打印的数据处理方法 3 5 迟到下一次触发打印的起始位置。 对于这个问题，也可以采用提前送数据的方法解决，但是不仅仅产生移位时 钟将数据送入喷墨头了，还需要产生一个锁存信号将数据压入数据缓冲。 4 5 1 横向校准 4 5 打印校准 由于喷墨头采用的是机械式安装，导致喷墨头横向间距为一随机值，这就使 得无法准确使用“填0 法 消除由喷墨头横向间距带来的重影现象。因此需要 进行横向校准加以补偿。 横向校准是这样一个过程：选取某一个喷墨头为基准头，通常为黑头( k 头) ， 以固定间距打印一系列的竖线，打印位置选取为该间距的中心位置。然后让待校 准头也以该固定间距打印一系列的竖线，打印位置选取为以该间距中心位置为中 心，左右偏移一定范围的一系列位置，如图4 1 5 所示。然后选择与基准头打印竖 线最为对齐的那根竖线所对应的偏移量，就是需要进行补偿的。此处补偿值应为 2 一4 3 一z一10 + 1+ 2 + 3+ 4 图4 1 5 横向校准示意图 喷墨头在静止状态下喷墨，墨滴是垂直的喷在打印介质上，但是实际打印过 程中，喷墨头是随着字车进行横向运动，在惯性的作用下，墨滴实际的运动轨迹 是一个抛物线。 假设在这样一种条件下：喷墨孔与打印介质距离为l m m ，墨滴由喷墨孔喷出 的初速为1 0 m s ，字车( 喷墨头) 运动的速度为1 2 m s ，重力加速度为9 8 m s ， 则很容易的计算出在理想状态下墨滴由惯性带来的偏移量为o 1 2 m m 。若横向分 辨率为6 0 0 d p i ，就是3 个点的距离。 因此对由惯性带来的偏移也是需要进行补偿，而且因为字车是左右双向运动， 两个方向的惯性偏移量是相反的，需要区别对待。 高性能喷墨绘图控制器研究 4 5 2 纵向校准 与横向校准类似，纵向也存在由机械结构带来的误差，因此也需要进行校准 加以补偿。纵向校准是这样一个过程：选取某一个喷墨头为基准头，通常也为黑 头( k 头) ，每个p a s s 打印一条横线，打印的位置选取为1 个p a s s 打印介质运 动距离的中心。在基准头打印的同时，让待校准头也打印一条横线，打印的位置 选取为以基准头打印位置为中心，上下偏移一定范围的一系列位置，如图4 1 6 所 示。然后选择与基准头打印横线最为对齐的那根横线所对应的偏移量，就是需要 补偿的。此处补偿值应为+ 3 图4 1 6 纵向校准示意图 4 3 2 1 0 1 2 3 4 + + + + 一 一 一 ， 第五章喷墨绘图仪系统总体设计 3 7 第五章喷墨绘图仪系统总体设计 5 1 1 系统总体设计 5 1 系统总体设计 该喷墨绘图仪系统的总体设计框图如图5 1 所示。整个系统分为三个部分：上 位p c 、主控板和小车板。上位p c 主要任务是通过软件对打印图片进行解析，形 成可被下位电路识别的数据信息；小车板主要完成对喷墨头的驱动控制；主控板 则实现一个“桥梁 的作用，即接收上位数据，并在恰当的时机( 有光栅信号) 将数据送给小车板；另外主控板还要控制步进电机和伺服电机，以及控制键盘和 l c d ，以完成和用户的交互通信。 曰2 5 1 2 打印流程设计 图5 1 系统总体框图 该喷墨绘图仪的主要工作流程如下： 1 、系统上电初始化，字车寻找初始位置，确定纸宽 2 、接收用户设置信息，包括打印模式( p a s s 数) ，左右边界，是否进行校准 打印测试等，并将该信息传给上位p c 3 、如进行校准打印，f p g a 则从f l a s h 中接收预先设置的数据进行打印， 用户可根据打出的图样选择校准值，并将该校准值送给上位p c 4 、用户选择所要打印的图片，上位p c 通过专用软件( 如蒙泰) 对图片进行 处理，生成可执行数据 5 、开始打印前，p c 将数据和命令传给主控板，数据暂存于s r a m 中，f p g a 高性能喷墨绘图控制器研究 解析命令完成自身配置；控制伺服电机带动字车运动 6 、字车进入达打印区域内，主控板每收到光栅信号，就向小车板发送数据； 小车板生成驱动信号，连同数据一起送给喷墨头，驱动喷墨头打印 7 、一行数据打印完毕后，控制步进电机输纸，准备进行下一行打印 8 、一幅图打印结束后，字车回到初始位置待机 5 2 主控板总体设计 一、主控板原理框图 主控板原理框图如图5 3 所示。主控板主要分为两大部分，一个是以f p g a 为核心的数据处理部分，另一个就是以a r m 9 为核心的运动控制部分。 图5 3 主控板原理框图 二、主控板f p g a 设计 主控板f p g a 按照处理对象可分为两个部分，一个是与上位p c 交互部分， 包括接口时序设计，另一个是与小车板f p g a 交互部分。f p g a 收到上位送来的 数据后，通过乒乓操作，将数据暂存于两块r a m 中；等收到打印光栅信号后， 将数据取出，按照协议抽取对应各个喷墨头的数据送入b u f f e r 中；在收n d , 车板 的请求信号后，将数据按位串行送出。如图5 4 所示。 第五章喷墨绘图仪系统总体设计 3 9 绘图仪工作流程 y 蛰 图5 2 绘图仪工作流程图 爱：在篇 校正信息r 陵扪么厂校正打印 故障信息、厂待机 起始打印位置 打印列数 打印方向 输纸量 高性能喷墨绘图控制器研究 图5 4 主控板f p g a 原理框图 5 3 小车板总体设计 一、小车板原理框图 小车板的主要功能就是实现对喷墨头的驱动控制，这其中包括驱动时序的生 成，以及对打印数据的缓冲处理。整个系统只有小车板是随着字车一起运动，光 栅信号也需要由小车板进行处理。另外，在字车架上装有光电耦合开关，其目的 是为了检测机架上是否有纸，纸宽是多少。当检测到有纸的时候，其开关量为“l ， 无纸的时候开关量为“0 ”，再配合光栅计数信号，则很容易得到纸宽。 图5 5 小车板原理框图 二、小车板f p g a 设计 小车板喷头驱动部分采用了以驱动