USB直接制版機(jī)高速發(fā)排卡的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

蘇政偉，陳科明，馬 琪

(杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所，浙江杭州310018)

0 引言

發(fā)排卡是一種用來(lái)連接印前設(shè)備和輸出設(shè)備的印刷業(yè)專用設(shè)備，主要功能是把PC機(jī)里的版面文件處理成點(diǎn)陣格式后發(fā)送給輸出設(shè)備［1］。按其采用的接口技術(shù)可以分為PCI發(fā)排卡、USB發(fā)排卡等。近年來(lái)，USB發(fā)排卡憑借發(fā)排速度快、通用性強(qiáng)、支持即插即用等優(yōu)勢(shì)，逐漸取代PCI發(fā)排卡成為主流。但是USB發(fā)排卡還是存在發(fā)排速度不高、穩(wěn)定性不夠、系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性不足等問(wèn)題。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了由FPGA專用硬件邏輯、USB2.0接口芯片及SDRAM存儲(chǔ)器構(gòu)成的USB發(fā)排卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)從軟硬件兩方面對(duì)發(fā)排卡的發(fā)排速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后發(fā)排速度高達(dá)30MB/s，并且性能穩(wěn)定。

1 工作原理概述

直接制版機(jī)(Computer To Plate，CTP)是一種數(shù)字化印刷成像的光機(jī)電一體化設(shè)備，將文字、圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，用此信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器在專用版材上掃描成像，再用顯影液顯影生成印版［2］。CTP設(shè)備主要應(yīng)用于大型印刷企業(yè)，如報(bào)社印刷廠和商業(yè)印刷廠等等。

CTP系統(tǒng)如圖1所示，包括PC機(jī)、CTP控制系統(tǒng)、USB發(fā)排卡、LD驅(qū)動(dòng)電路和激光器等。USB發(fā)排卡的主要功能是通過(guò)USB從PC機(jī)取得激光打點(diǎn)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給LD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行激光打點(diǎn)。

圖1 CTP系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 USB發(fā)排卡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

USB發(fā)排卡硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括FPGA主控制器、USB接口、SDRAM存儲(chǔ)器、SPI通信接口、編碼器輸入和LD驅(qū)動(dòng)接口等模塊，主控制器用Altera EP1C6Q240 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。

PC機(jī)發(fā)排軟件將版面數(shù)據(jù)發(fā)送到USB接口模塊，F(xiàn)PGA主控制器將版面數(shù)據(jù)放SDRAM中緩存。在激光掃描過(guò)程中發(fā)排卡的數(shù)據(jù)必須和CTP的機(jī)械運(yùn)動(dòng)相配合，因此將編碼器輸入的CTP系統(tǒng)行同步信號(hào)和位同步作為讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，按照一定的時(shí)序關(guān)系將SDRAM中暫存的版面數(shù)據(jù)輸出至LD驅(qū)動(dòng)接口模塊。為了提高傳輸速度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了面積換取速度的思想，用兩塊SDRAM進(jìn)行乒乓操作來(lái)輪流讀寫數(shù)據(jù)［3］。LD驅(qū)動(dòng)接口模塊負(fù)責(zé)將輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速的串行數(shù)據(jù)，輸出到CTP的LD驅(qū)動(dòng)電路。SPI通信模塊則負(fù)責(zé)發(fā)排卡與CTP控制系統(tǒng)的通信，完成信息的交互和握手信號(hào)的傳遞。

圖2 USB發(fā)排卡硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 FPGA主控制器的硬件邏輯設(shè)計(jì)

FPGA主控制器的硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，劃分為以下4個(gè)模塊:USB通信接口、SDRAM控制器、與CTP控制系統(tǒng)的SPI通信模塊、發(fā)排卡數(shù)據(jù)輸出時(shí)序控制模塊。在USB通信接口和SDRAM控制器之間，采用了一個(gè)1 024×16的FIFO作為輸入數(shù)據(jù)的緩沖;而在SDRAM控制器與數(shù)據(jù)輸出時(shí)序控制模塊之間，則采用了一個(gè)4 096×16的FIFO作為輸出數(shù)據(jù)的緩沖。

SDRAM控制器設(shè)計(jì)是FPGA主控制器硬件邏輯設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。SDRAM的操作流程是:先初始化設(shè)置SDRAM工作模式，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，同時(shí)通過(guò)刷新保持電容的數(shù)據(jù)。SDRAM控制器狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

圖3 FPGA主控制器邏輯結(jié)構(gòu)框圖

圖4 SDRAM控制器狀態(tài)機(jī)

由于USB發(fā)排卡的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)較大，設(shè)計(jì)中選擇SDRAM的頁(yè)猝發(fā)方式進(jìn)行讀寫。對(duì)于設(shè)計(jì)選用的SDRAM芯片MT48LC16M16A2，一次要連續(xù)寫入或讀取512個(gè)字。但是在USB發(fā)排卡傳輸版面數(shù)據(jù)的最后一行時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)小于512字的情況。本設(shè)計(jì)利用預(yù)充電命令中斷猝發(fā)讀寫，可以解決這個(gè)問(wèn)題。在版面數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，把輸入緩沖FIFO中的讀地址傳入SDRAM控制器，即傳入SDRAM最后一行數(shù)據(jù)的大小N。寫入時(shí)，在發(fā)起寫入命令后的N－1個(gè)時(shí)鐘，對(duì)所有BANK預(yù)充電中斷頁(yè)猝發(fā)寫。讀出時(shí)，在讀取命令后的N+1個(gè)時(shí)鐘對(duì)所有BANK預(yù)充電中斷猝發(fā)讀。此外本文采用了集中刷新方式解決了刷新與讀寫數(shù)據(jù)的沖突。當(dāng)刷新定時(shí)器計(jì)數(shù)到時(shí)，若正好有數(shù)據(jù)傳輸，會(huì)先讓數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。數(shù)據(jù)傳輸完成后，利用數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隙再連續(xù)刷新多次，這樣能保證SDRAM中的數(shù)據(jù)不丟失。

3 軟件設(shè)計(jì)及優(yōu)化

本設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件包括上位機(jī)發(fā)排軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和USB固件程序。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B貫性，發(fā)排卡輸入端USB的傳輸速度應(yīng)該大于發(fā)排卡輸出端LD驅(qū)動(dòng)電路的傳輸速度。發(fā)排卡實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速度由CTP系統(tǒng)的LD驅(qū)動(dòng)電路和激光器的路數(shù)所決定，當(dāng)CTP系統(tǒng)采用更多路的激光器時(shí)，LD驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)傳輸速度就要求更快，USB的傳輸速度也要隨之提高。本設(shè)計(jì)從上位機(jī)軟件、USB驅(qū)動(dòng)程序、USB固件等幾方面對(duì)USB傳輸速度進(jìn)行了優(yōu)化，最高傳輸速度能夠達(dá)到30MB/s，提高了發(fā)排卡的發(fā)排速度。

3.1 發(fā)排軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

發(fā)排軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是在Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下，使用CYPRESS提供的CYAPI.lib庫(kù)文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的管理和控制［4］。本文在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中設(shè)計(jì)了通用的USB數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，屏蔽了USB傳輸?shù)募?xì)節(jié)，發(fā)排軟件開發(fā)人員可直接調(diào)用，而不需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋?。本設(shè)計(jì)還對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以提高發(fā)排卡系統(tǒng)的性能。驅(qū)動(dòng)程序中數(shù)據(jù)緩沖大小不足是造成USB傳輸慢的一個(gè)重要原因。本文通過(guò)將驅(qū)動(dòng)程序緩沖大小設(shè)置為2MB，將USB傳輸速度由優(yōu)化前的 13MB/s，提高到 28MB/s。

實(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn)CY7C68013A芯片工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸被中斷的現(xiàn)象。經(jīng)大量嘗試，發(fā)現(xiàn)對(duì)CY7C68013A進(jìn)行軟件復(fù)位能夠解決這個(gè)問(wèn)題。本設(shè)計(jì)通過(guò)端點(diǎn)0對(duì)CY7C68013A的CPUCS寄存器先后寫入數(shù)據(jù)0x01和0x00來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片復(fù)位。

3.2 USB固件程序設(shè)計(jì)與優(yōu)化

USB固件程序完成芯片的初始化、處理各種USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求、重列舉和電源管理。CYPRESS公司提供CY7C68013A固件程序的流程框架，設(shè)計(jì)中根據(jù)需求修改和添加固件框架中的描述符文件dscr.a51和外設(shè)功能文件periph.c中的代碼，即可實(shí)現(xiàn)USB特定設(shè)備的功能［5］。

本設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)包大小和端點(diǎn)緩沖區(qū)配置兩方面對(duì)固件程序進(jìn)行一定的優(yōu)化，以提高USB的傳輸速度。數(shù)據(jù)包大小的設(shè)置應(yīng)該在協(xié)議消耗和剩余帶寬之間取平衡。高速傳輸下，塊傳輸允許的數(shù)據(jù)包最大值為512Byte。而數(shù)據(jù)包設(shè)置多大能使傳輸速度達(dá)到最佳，取決于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量以及端點(diǎn)的配置，需要根據(jù)實(shí)際情況測(cè)得。本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，測(cè)得在傳輸20MB數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包大小設(shè)置為480字節(jié)，USB傳輸速度最快。端點(diǎn)緩沖區(qū)大小對(duì)USB傳輸速度也有一定影響。多重緩沖結(jié)構(gòu)可以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中有效提升數(shù)據(jù)帶寬，平滑帶寬抖動(dòng)，減少傳輸?shù)却臅r(shí)間。本設(shè)計(jì)將端點(diǎn)緩沖區(qū)大小優(yōu)化后配置為3×512字節(jié)，較原來(lái)的2×512字節(jié)的配置，USB傳輸速度有一定的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種USB2.0高速發(fā)排卡，硬件上采用USB2.0+FPGA+SDRAM的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，軟件上通過(guò)對(duì)發(fā)排軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和USB固件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠完成與主機(jī)的USB通信、版面數(shù)據(jù)的緩沖、與CTP控制系統(tǒng)的交互以及發(fā)排數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序控制，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、傳輸速度高和傳輸連貫性好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，發(fā)排卡的傳輸速率由13MB/s提高到了30MB/s，系統(tǒng)穩(wěn)定性也有大幅提升。目前，發(fā)排卡已應(yīng)用于實(shí)際印刷制版中。

［1］ 王玉麗.基于USB2.0的直接制版機(jī)高速發(fā)排卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2010.

［2］ 于鵬.直接制版機(jī)控制系統(tǒng)和USB發(fā)排卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2008.

［3］ 劉延飛，楊鐵阡，李琪，等.多總線地面測(cè)試設(shè)備中雙SDRAM控制器的設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51(4):31－34.

［4］ 何蘇勤，黃翠翠.基于USB2.0的異步數(shù)據(jù)傳輸和控制接口的設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用天地，2010，29(3):79－83.

［5］ 薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2007:202－205.