基于Cortex-M3的XJ128噴頭驅(qū)動(dòng)控制研究*

蔡錦達(dá)，郭振云

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

0 引言

噴墨技術(shù)能在襯底上逐漸沉積具有不同化學(xué)和物理性質(zhì)的材料，這使其成為工業(yè)和家庭使用的一項(xiàng)重要的技術(shù)［1］。由于噴墨技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板、平板顯示器中電子電路板砂、低成本的金屬涂層等多個(gè)行業(yè)的制造過(guò)程中?；趪娔蛴C(jī)機(jī)械原型的應(yīng)用程序在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)用于打印DNA 結(jié)構(gòu)，使人造皮膚噴射細(xì)胞［2］。目前市場(chǎng)對(duì)于高質(zhì)量、快速并且更節(jié)省能源的專(zhuān)業(yè)噴頭及控制的需求更激烈［3］，因此，研究各種噴頭的控制程序具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)噴碼機(jī)不僅依賴(lài)于價(jià)格高昂的進(jìn)口產(chǎn)品，而且它們大多數(shù)采用分離的噴頭控制器，具有體積大、操作繁瑣等缺點(diǎn)，完全沒(méi)有發(fā)揮微處理器和內(nèi)嵌操作系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)品的操作簡(jiǎn)便、遠(yuǎn)程傳輸、接口豐富的優(yōu)點(diǎn)［4］。例如文獻(xiàn)［5］采用多個(gè)的嵌入式RIP 處理卡來(lái)單獨(dú)控制每一噴頭，文獻(xiàn)［6］分別采用單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)控制板和數(shù)據(jù)傳輸板及獨(dú)立的噴頭控制板實(shí)現(xiàn)噴墨控制，這些系統(tǒng)的布線都比較復(fù)雜，因此噴頭一般不能移動(dòng)，否則會(huì)使控制臺(tái)混亂并在拖行過(guò)程中引起較大的機(jī)械振動(dòng)，不能滿(mǎn)足醫(yī)療等行業(yè)對(duì)控制臺(tái)微振動(dòng)要求。而且每增加一個(gè)噴頭都需要增加相應(yīng)的模塊，這不僅使線路更加復(fù)雜，而且提高了生產(chǎn)成本。

因此本研究在文獻(xiàn)［7］的研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于Cortex-M3 處理器對(duì)XARR 公司生產(chǎn)的XJ128 噴頭的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中間無(wú)需復(fù)雜的控制卡，不僅布線比較少，成本也比較低，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)該控制系統(tǒng)也能快速控制噴頭進(jìn)行噴液。

1 硬件系統(tǒng)的組成

1.1 微處理器的選擇

Cortex-M3 處理器是ARM 公司設(shè)計(jì)的最新一款32 位處理器系列，目的是全面替代目前的8/16 位單片機(jī)［8］。據(jù)調(diào)查，其有望成為32 位MCU 中8051［9］。在指令方式方面，Cortex-M3 采用thumb-2 技術(shù)并兼容顯存的ARM 解決方案，這比純ARM 代碼少使用31%的內(nèi)存，同時(shí)能提供比thumb 技術(shù)高38%的性能［10］;在中斷方面，Cortex-M3 的嵌套向量中斷控制器提供了工業(yè)領(lǐng)先的中斷處理性能，控制器不僅可以控制多達(dá)255 個(gè)中斷，而且它用簡(jiǎn)單的6 個(gè)周期的取指取代了傳統(tǒng)的串行堆棧需要超過(guò)30 個(gè)時(shí)鐘周期的push-pop操作才能完成的動(dòng)作，使從中斷發(fā)生到進(jìn)入服務(wù)減少70%的周期數(shù)［11］;在價(jià)格方面，目前最便宜的基于Cortex-M3 內(nèi)核的單片機(jī)售價(jià)為1 美元［12］，由此可見(jiàn)Cortex-M3 適用于高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用及具有競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域［13］。

LPC1752 是基于Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器，其CPU 操作頻率可高達(dá)100 MHz，外設(shè)包含一個(gè)高達(dá)64 K的Flash 存儲(chǔ)器和16 K 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)高速、高效的噴頭數(shù)據(jù)傳輸及控制;其次，LPC1752 還有一個(gè)外部中斷輸入，可以快速讀取噴頭的狀態(tài);最后，LPC1752 上有42 個(gè)管腳可以配置為邊沿檢測(cè)中斷，這有利于提高程序的實(shí)時(shí)性，使對(duì)時(shí)間敏感的程序可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。因此，LPC1752 是首選的控制XJ128 噴頭的微控制器。

1.2 噴頭的介紹

XJ128 噴頭［14-15］包含有128 個(gè)由壓電晶體材料構(gòu)成的通道驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置油墨過(guò)濾器及驅(qū)動(dòng)控制電路，整體安裝在一金屬塊骨架上。噴頭上有128 個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴都是以“二態(tài)”方式運(yùn)作，因而可以按需噴射單一大小的墨點(diǎn)。其電氣接口共有30 個(gè)引腳，但是其中有10 個(gè)是沒(méi)有連接的保留接口，9 個(gè)為電源和接地引腳，其他11 個(gè)引腳為信號(hào)引腳。其主要功能引腳如表1所示。

表1 XJ128 噴頭的主要引腳

XJ128 噴頭的內(nèi)部有兩個(gè)64 位的數(shù)據(jù)移位寄存器，當(dāng)準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，分別選中片選信號(hào)nSS1 和nSS2 后，利用數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCK)的上升沿時(shí)刻，MOSI 將64 位數(shù)據(jù)有序地裝載進(jìn)入相應(yīng)的移位暫存器。數(shù)據(jù)裝載完畢后準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)跳到非活躍狀態(tài)，數(shù)據(jù)就可以轉(zhuǎn)載進(jìn)入移位暫存器。在此時(shí)刻，噴頭就可使用這組數(shù)據(jù)控制噴頭。然后觸發(fā)點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)按照設(shè)定數(shù)據(jù)啟動(dòng)“點(diǎn)火”射出所加載的液體。

由于移位暫存器擁有雙緩沖個(gè)體，系統(tǒng)允許噴頭在噴液進(jìn)行的同時(shí)裝載下一組數(shù)據(jù)。當(dāng)噴頭開(kāi)始打印最后一個(gè)相位的數(shù)據(jù)時(shí)，準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)跳到停頓狀態(tài)，噴頭就可以加載下一組數(shù)據(jù)。其裝載時(shí)序如圖1所示。

圖1 XJ128 噴頭的控制時(shí)序

2 噴頭控制程序設(shè)計(jì)

2.1 噴頭點(diǎn)火程序的設(shè)定

由圖1 可以看出復(fù)位(nRESET)信號(hào)和點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)都有各自要求的頻寬，因此可以通過(guò)在調(diào)用延時(shí)子程序時(shí)改變函數(shù)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Cortex-M3 的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24 MHz，而復(fù)位(nRESET)信號(hào)的最小頻寬為500 ns，點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)的頻寬為1 μs ～120 μs，而且點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)必須在準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)被激活的狀態(tài)才有效，而傳輸過(guò)程中準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的活躍脈寬的標(biāo)準(zhǔn)值為58 μs，因此延時(shí)函數(shù)不應(yīng)設(shè)定過(guò)長(zhǎng)。

2.2 基于邊沿中斷的噴印數(shù)據(jù)傳輸

XJ128 噴頭的MOSI 引腳內(nèi)的移位暫存器是64 位的，而Cortex-M3 上SPI 每次最多只能發(fā)16，因此系統(tǒng)需要發(fā)送4 次才能完成對(duì)一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)裝載，為了方便數(shù)據(jù)的傳輸，本研究把預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，這樣后面使用就比較方便。其次XJ128 芯片的噴頭由兩個(gè)64 位的移位暫存器分別控制前64 位和后64 位，只有兩個(gè)芯片全都裝載完數(shù)據(jù)后準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)才會(huì)變成活躍狀態(tài)，之后點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)才能控制噴頭進(jìn)行噴射。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚣瓤梢栽诓樵?xún)中完成，也可以在中斷中完成。由于中斷不僅可以提高CPU 的工作效率，還具有實(shí)時(shí)處理的功能，能對(duì)控制系統(tǒng)中的各種參數(shù)和狀態(tài)做出快速響應(yīng)、及時(shí)處理［16］，本研究選擇中斷處理的方式。而目前可有兩個(gè)中斷入口:一個(gè)是Cortex-M3 上SPI 的數(shù)據(jù)傳輸完成中斷，由圖1 可以看出只有在準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)處于低電平的情況下才能激活片選(nss(x))信號(hào)，故另外一個(gè)中斷入口是準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的邊沿中斷。數(shù)據(jù)傳輸完成后SPI 的傳輸完成標(biāo)志位會(huì)立即復(fù)位，而準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)則在XJ128 噴頭接收完數(shù)據(jù)后還需執(zhí)行兩相噴射才能被激活。也就是說(shuō)準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的激活等待時(shí)間要比SPI 復(fù)位的等待時(shí)間長(zhǎng)，即準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)才是最終決定是否傳輸下一組數(shù)據(jù)。因此本研究選擇準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的下降沿做為中斷入口。

數(shù)據(jù)傳輸完成后還要控制點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)才能真正完成噴頭噴射過(guò)程，而點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)只有在準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)激活時(shí)才有效，那么要執(zhí)行點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)，那么首先要判斷準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的狀態(tài)。由于系統(tǒng)選擇以準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)下降沿中斷的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從Cortex-M3 到噴頭的2 個(gè)64 位移位暫存器的傳輸，那么使用查詢(xún)的方式判斷再次準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的狀態(tài)就顯得太冗余復(fù)雜了，最好也采用中斷的方式判斷準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的狀態(tài)。

Cortex-M3 有獨(dú)立的上升沿中斷寄存器和下降沿中斷寄存器，因此GPIO 中PORT0 和PORT2 端口的每一個(gè)引腳都可以配置并觸發(fā)上升沿中斷、下降沿中斷或者邊沿中斷(同時(shí)設(shè)定上升沿中斷和下降沿中斷)，這樣正好可以滿(mǎn)足以雙中斷的方式控制噴頭的要求。以準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)所接的引腳P0.2 為例，上升沿中斷使能寄存器(IO0IntEnR)可以使能P0.2 管腳的上升沿中斷，下降沿中斷使能寄存器(IO0IntEnF)可以使能P0.2 管腳下降沿中斷。

IO0IntEnR［2］=1 時(shí)，P0.2 上升沿中斷使能;

IO0IntEnR［2］=0 時(shí)，P0.2 上升沿中斷禁能;

IO0IntEnF［2］=1 時(shí)，P0.2 下降沿中斷使能;

IO0IntEnF［2］=0 時(shí)，P0.2 下降沿中斷禁能。

圖2 GPIO 邊沿中斷示意圖

中斷內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸如圖3所示。其中P［n］為控制噴頭中每個(gè)噴嘴的數(shù)值，該數(shù)組可以設(shè)的很大，以實(shí)現(xiàn)XJ128 噴頭的連續(xù)噴射，但是n 必須為8 的整數(shù)倍，這是由噴頭的移位暫存器和Cortex-M3 上SPI 的性質(zhì)決定的。i 表示每次裝載數(shù)據(jù)P［n］中的第i 個(gè)數(shù)據(jù)，j表示裝載的次數(shù)，F(xiàn)lag 為標(biāo)志位。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.3 高溫報(bào)警及復(fù)位信號(hào)

XJ128 噴頭有一個(gè)低電平觸發(fā)的高溫誤差(nFAULT)信號(hào)，當(dāng)噴頭的溫度高于臨界值45 ℃～55 ℃，高溫誤差(nFAULT)信號(hào)就會(huì)被激活，而且該信號(hào)是不能被更改的，只有當(dāng)噴頭溫度降低到臨街溫度以后后報(bào)警信號(hào)才能被解除。因?yàn)閼?yīng)用過(guò)程中要求噴頭精確的運(yùn)動(dòng)，必須設(shè)定報(bào)警信號(hào)中斷，且中斷等級(jí)比準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的中斷等級(jí)要高，這樣才可以在準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)的中斷運(yùn)行時(shí)進(jìn)入高溫中斷，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警信號(hào)的啟動(dòng)，然后再中斷內(nèi)通過(guò)邏輯復(fù)位信號(hào)對(duì)芯片進(jìn)行邏輯程序異步復(fù)位，該復(fù)位只是讓噴頭停止工作，但是并不會(huì)將數(shù)據(jù)輸入暫存器內(nèi)部的資料重組，因此，只需等到溫度降低后再通過(guò)點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)即可讓噴頭繼續(xù)工作，并不需要重新加載數(shù)據(jù)輸入暫存器的值。

由于要區(qū)別準(zhǔn)備就位(READY)信號(hào)和高溫誤差(nFAULT)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，兩者不能同時(shí)使用I/O 口中斷。系統(tǒng)可以設(shè)置(nFAULT)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的引腳為外部中斷EINT0(Cortex-M3 上外部中斷和I/O 口中斷分別使用兩個(gè)不同的中斷通道，可以設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí))的邊沿中斷，同時(shí)設(shè)定上升沿中斷和下降沿中斷，并且兩者的中斷優(yōu)先級(jí)要比SPI 接口中斷的優(yōu)先級(jí)高，這樣就可以在下降沿中斷內(nèi)通過(guò)置位片選(nSS(x))信號(hào)和停止數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCK)信號(hào)來(lái)停止Cortex-M3對(duì)噴頭的數(shù)據(jù)傳輸，避免噴頭已儲(chǔ)存在暫存器內(nèi)的數(shù)據(jù)清除，從而保證噴頭嚴(yán)格按照設(shè)定的步驟工作;在高溫誤差(nFAULT)信號(hào)上升沿中斷內(nèi)復(fù)位片選(nss(x))信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCK)信號(hào)使噴頭重新開(kāi)始工作。

3 程序測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本研究編寫(xiě)了基于Cortex-M3的噴頭的驅(qū)動(dòng)程序，在該程序中，噴頭的高溫誤差(nFault)信號(hào)連接開(kāi)發(fā)板的外部中斷EINT0，準(zhǔn)備就緒信號(hào)READY 連接GPIO 口中斷，其余各口連接在普通IO 口上，并按照相應(yīng)的要求設(shè)定為輸入或者輸出。通過(guò)示波器測(cè)量可得部分波形圖如圖4、圖5所示。

由圖4 和圖5 可知，當(dāng)準(zhǔn)備就位信號(hào)(READY)為低時(shí)，nSS2 會(huì)先變?yōu)榈碗娖剑催x中nSS2 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，等待數(shù)據(jù)傳輸完成后nSS2 會(huì)跳變成高電平，然后nSS1 變?yōu)榈碗娖竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后等待點(diǎn)火(nFIRE)信號(hào)，然后再進(jìn)行下又一輪的控制。同樣，經(jīng)過(guò)測(cè)量，其他各個(gè)變量電平的變化也都滿(mǎn)足噴頭的驅(qū)動(dòng)要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，該程序可以按照設(shè)定要求控制XJ128 噴頭相應(yīng)的噴孔進(jìn)行噴液。

圖4 nSS2 與nSS1 的波形圖

圖5 MOSI 與nSS2 的波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究簡(jiǎn)要介紹了Cortex-M3 的優(yōu)點(diǎn)和XJ128 噴頭的接口及控制要求，重要研究了噴頭控制程序的設(shè)計(jì)，提出了基于中斷的驅(qū)動(dòng)控制思路，最后通過(guò)示波器及噴頭控制實(shí)驗(yàn)對(duì)所編寫(xiě)的控制程序進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該程序可以高效地控制噴頭的各個(gè)噴嘴。

本研究采用嵌入式微處理器控制直接對(duì)噴頭進(jìn)行，既實(shí)現(xiàn)了嵌入式微處理器的最大化利用，又節(jié)省了成本。此外，Cortex-M3 上有多達(dá)52 個(gè)管腳，其中42個(gè)可以配置中斷，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)噴頭高效的控制，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式微處理器的一體化控制。

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