FPGA在大幅面高速彩色噴繪機(jī)噴頭接口中的應(yīng)用

劉 晉，劉 峰

(遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116081)

隨著社會(huì)生產(chǎn)與研究設(shè)計(jì)對(duì)噴繪產(chǎn)品高速化的需求與日俱增，傳統(tǒng)的數(shù)字噴墨式印刷機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足這種需求。而大幅面高速彩色噴繪機(jī)無(wú)論是在數(shù)據(jù)的傳輸速度還是在打印的質(zhì)量上都超過(guò)了傳統(tǒng)的數(shù)字噴墨式印刷機(jī)。但是，大幅面高速彩色噴繪機(jī)的技術(shù)并不是十分成熟，還有許多的地方可以改進(jìn)。

近年來(lái)，隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字集成電路從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路逐步發(fā)展到今天的專(zhuān)用集成電路(ASIC)。ASIC的出現(xiàn)降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮小了電路的物理尺寸，推動(dòng)了社會(huì)的數(shù)字化進(jìn)程[1]。數(shù)字電路設(shè)計(jì)當(dāng)中用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)FIFO的功能可以更好地解決并行性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，而且用FPGA實(shí)現(xiàn)的FIFO更容易修改和測(cè)試，可以降低成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 像素?cái)?shù)據(jù)傳輸定時(shí)分析

像素?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖1所示，像素?cái)?shù)據(jù)傳輸在CLK的同步下進(jìn)行，每次傳送 256×2 bit，使用 256個(gè)CLK時(shí)鐘。在傳輸開(kāi)始前和傳輸結(jié)束后，CLK應(yīng)該保持在高電平。每次傳輸完后，等待3個(gè)連續(xù)的像素時(shí)鐘(PIXELCLK)，即點(diǎn)火信號(hào)，3個(gè)點(diǎn)火信號(hào)使存儲(chǔ)在噴頭中的像素?cái)?shù)據(jù)完成點(diǎn)火輸出。第一個(gè)點(diǎn)火脈沖有數(shù)據(jù)鎖存的功能，在該脈沖過(guò)后，前次接收的數(shù)據(jù)完成鎖存，可以開(kāi)始下一次的數(shù)據(jù)移位輸入工作，盡管此時(shí)上一次輸入的像素?cái)?shù)據(jù)還沒(méi)有消耗完。因此，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和點(diǎn)火同時(shí)進(jìn)行。在第一個(gè)點(diǎn)火脈沖到來(lái)期間，像素?cái)?shù)據(jù)和像素時(shí)鐘應(yīng)該保持不變。

2 像素?cái)?shù)據(jù)格式

像素?cái)?shù)據(jù)分為點(diǎn)火和不點(diǎn)火兩種，點(diǎn)火的(噴出的)像素其數(shù)據(jù)要求為 D2D1D0(D6D5D4)=111，不點(diǎn)火的(不噴出的)像素要求 D2D1D0(D6D5D4)=000。因此，實(shí)際傳輸時(shí)可采用兩條信號(hào)線(xiàn)，一條負(fù)責(zé)D2D1D0的像素，另一條負(fù)責(zé)D6D5D4的像素，而在數(shù)據(jù)進(jìn)入噴頭之前，將輸入的1信號(hào)展開(kāi)成111，0信號(hào)展開(kāi)成000即可。這樣可用兩條信號(hào)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)6條信號(hào)線(xiàn)的功能。

每次傳送，一個(gè)噴頭所需要的數(shù)據(jù)為512 bit，其中，第0和第511 bit必須為0，實(shí)際完成 510孔數(shù)據(jù)的傳送，但是數(shù)據(jù)傳送使用的是256個(gè)CLK時(shí)鐘，每時(shí)鐘傳送2 bit。分作兩條信號(hào)線(xiàn)傳輸，一條是D2D1D0負(fù)責(zé)256~511孔的數(shù)據(jù)傳送，D6D5D4負(fù)責(zé)0~255孔的數(shù)據(jù)傳送。這就要求有一種電路，先緩沖256~511孔的數(shù)據(jù)，再將0~255孔的數(shù)據(jù)與之合并后同時(shí)傳送到噴頭。

如考慮圖像的存儲(chǔ)格式，噴頭應(yīng)該倒置，即510孔的位置在前，0孔的位置在后，即實(shí)際的像素?cái)?shù)據(jù)的順序號(hào)與噴頭的孔號(hào)相反，噴頭的像素?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 噴頭的像素?cái)?shù)據(jù)

3 總體實(shí)現(xiàn)

3.1 噴頭接口模塊

噴頭接口模塊接收來(lái)自于上位機(jī)的打印圖像數(shù)據(jù)，在噴頭數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk的同步下，向噴頭送出噴頭數(shù)據(jù)。依據(jù)運(yùn)動(dòng)控制模塊傳出的當(dāng)前位置和自身存儲(chǔ)的打印位置，送出點(diǎn)火信號(hào)fire。

由于噴頭要求將0~255噴孔和256~511噴孔的數(shù)據(jù)同時(shí)送出，因此，噴頭接口應(yīng)該至少能存儲(chǔ)512個(gè)噴孔的數(shù)據(jù)，每噴孔1 bit數(shù)據(jù)，共64 B，32個(gè)半字(16 bit)。為保證實(shí)時(shí)性，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該通過(guò)緩沖與上位機(jī)接口，最好的緩沖就是FIFO。其設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

3.2 移位控制器

移位控制器負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)緩存FIFO1中讀出數(shù)據(jù)，并按需要的順序裝入到FIFO2中，在FIFO2裝滿(mǎn)的同時(shí)讀取兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行移位操作?？刂破鬟\(yùn)轉(zhuǎn)的另一個(gè)條件是上一個(gè)裝入-點(diǎn)火周期完成，因此必須在檢測(cè)到點(diǎn)火信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶蟛拍苡|發(fā)。其設(shè)計(jì)ASM圖如圖3所示。

圖3 噴頭像素?cái)?shù)據(jù)移位控制時(shí)序ASM圖

3.3 波形驗(yàn)證

輸出控制器完成輸出數(shù)據(jù)的裝載和移位輸出的控制。具體要求是當(dāng)數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)緩存FIFO1裝載已經(jīng)完成并到達(dá)點(diǎn)火邊緣時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行256 bit數(shù)據(jù)的裝載和移位，達(dá)到0~511孔同時(shí)裝入數(shù)據(jù)的目的。然后等待點(diǎn)火信號(hào)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)點(diǎn)火信號(hào)過(guò)后，就可重復(fù)裝入輸出。其波形驗(yàn)證如圖4所示。

隨著圖像逐步向大格式方向發(fā)展，無(wú)論研究還是生產(chǎn)都對(duì)上位機(jī)和打印機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來(lái)越高。因此，不僅要利用FIFO作為緩沖來(lái)解決噴頭和上位機(jī)存在的像素?cái)?shù)據(jù)方向相反的問(wèn)題，而且要利用異步FIFO用不同時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)的特性，使其自動(dòng)讀取USB芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而大大提高數(shù)據(jù)傳輸速度，解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問(wèn)題。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，并使大幅面高速彩色噴繪機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率和圖像正確性得到了極大的改善。

[1]王誠(chéng)，吳繼華，范麗珍，等.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)篇)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]張延偉，楊金巖，葛愛(ài)學(xué).Verilog HDL程序設(shè)計(jì)實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]王開(kāi)軍，姜宇柏.面向 DPLD/FPGA的 VHDL設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]熊紅兵，陳琦.基于FPGA的異步FIFO設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，2(17).

[5]Altera Corporation.QuartusIIVersion 6.0 Handbook[Z].2006.

[6]任曉東，文博.CPLD/FPGA高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.