基于FPGA的數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)

力雪梅，季誠昌，孫以澤

（東華大學機械工程學院，上海 201620）

數(shù)碼噴墨印花對印花圖片的數(shù)據(jù)處理速度、進布與噴頭小車運動控制有較高要求。市面上的數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)采用ARM 處理器處理印花圖片數(shù)據(jù)，控制印花過程，效果較好，但處理速度較慢。因此需開發(fā)可滿足高速印花數(shù)據(jù)處理與較好控制效果的系統(tǒng)架構(gòu)。FPGA 為現(xiàn)場可編程門陣列，能解決定制電路不足的問題，克服原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，使硬件易于操作，應用于數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)時能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本研究以PC 機與FPGA 技術(shù)相結(jié)合處理印花圖片與控制印花過程。

1 數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)碼噴墨印花首先將計算機或印前輸入設(shè)備產(chǎn)生的彩色圖文信息傳遞到噴墨設(shè)備，在計算機控制下計算相應的通道墨量，噴墨成像裝置控制墨滴以一定速度由噴嘴噴射到承印物表面，最后通過油墨與承印物的相互作用，使油墨在承印物上再現(xiàn)穩(wěn)定的圖文信息［1］。數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。從計算機獲取待印花圖像，利用PC 機完成前期處理，生成可用于印花的圖片數(shù)據(jù)格式，F(xiàn)PGA 控制板接收圖像信息并控制印花噴頭，驅(qū)動噴頭與進布機構(gòu)相互配合進行印花。

圖1 數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)的整體架構(gòu)

為保證印花精度，需要保持噴頭印花速度與進布速度同步。采用伺服電機控制進布，控制板根據(jù)印花速度和位置的反饋信號相應調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速與印花速度匹配，完成打印。本系統(tǒng)主要通過設(shè)計FPGA 控制板的軟硬件完成圖像前期處理、數(shù)據(jù)傳輸與存儲，控制噴頭實時噴墨印花等，確保系統(tǒng)在噴墨印花過程中穩(wěn)定、準確地還原印花圖像，精準印花。

2 數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)的需求

了解系統(tǒng)需求是系統(tǒng)設(shè)計的前提。由表1 可知，印花過程中，噴頭在印花介質(zhì)兩端存在勻變速階段，使噴頭在開始印花時達到正常的噴印速度，結(jié)束印花時速度減慢，每個勻變速區(qū)間長度為0.1 m，因此每一行的勻變速區(qū)間長度=0.1 m×2=0.2 m。在一行印花數(shù)據(jù)噴印完成后，噴頭需回程并開始下一行噴印，為了提高印花效率，應盡可能提高噴頭的回程速度，縮短回程時間。不同印花系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)與控制方法不同，噴頭回程時間不同。在本印花系統(tǒng)中，噴頭回程時間為1 s，相比其他印花系統(tǒng)時間較短。噴頭在勻變速區(qū)間及回程中不噴墨，只在勻速期間噴墨印花。

表1 系統(tǒng)噴印參數(shù)要求

數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)設(shè)計主要體現(xiàn)在圖片數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)傳輸速率兩個方面。本系統(tǒng)用一個四色噴頭進行印花，由表1可知，打印寬度（印花幅寬）為1.5 m，則一次掃描中，印花橫向?qū)挾扔嬎闶剑?］如下：

本系統(tǒng)采用的印花噴頭每列含有180 個噴孔，因 此單次印花所需內(nèi)存空間計算式如下：

一個四色噴頭一個印花行程所需內(nèi)存空間計算式如下：

在實際印花過程中，為保證印花數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)傳輸與存儲準確，系統(tǒng)選用的存儲器應大于以上數(shù)值且有富余，便于日后系統(tǒng)的調(diào)試與升級。

在系統(tǒng)運行過程中，光柵頻率應小于噴頭最高點火頻率F，因此，噴頭小車勻速運動的最快速度（V勻速）計算式如下：

噴頭在噴印單行印花圖片時所需的時間（T單行）計算式如下：

印花圖片處理系統(tǒng)需要在單行印花的9.96 s 內(nèi)完成下一行印花數(shù)據(jù)的處理與傳輸，同時做好數(shù)據(jù)準備。因此，要確保印花數(shù)據(jù)的傳輸速度大于圖片數(shù)據(jù)的輸出速度，印花圖片數(shù)據(jù)處理最低速度（Vs）的計算式如下：

在設(shè)計數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)時，除了使系統(tǒng)滿足以上圖片數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)處理、傳輸速度要求外，還應使系統(tǒng)的運行具有較高的穩(wěn)定性及可靠性。

3 硬件設(shè)計

在數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 模塊的主要功能是利用USB 接口接收PC 機處理后的印花圖片數(shù)據(jù)，并進行圖像數(shù)據(jù)存儲、讀取等處理，然后將圖像數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)接』▏婎^接口進行噴印，故FPGA 控制板的硬件模塊設(shè)計主要包括對USB、DDR3 SDRAM、SPI FLASH 以及噴頭驅(qū)動模塊等的電路設(shè)計和整合。FPGA 控制板具體硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 FPGA 控制板硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，SPI FLASH 為控制板上電時存儲啟動代碼，上電啟動后，噴墨印花圖片數(shù)據(jù)通過USB 傳輸給FPGA 控制板接收器并緩存在DDR3 SDRAM 中，待印花小車達到某印花行時，通過FIFO 將該行印花數(shù)據(jù)輸出給印花噴頭，噴頭驅(qū)動模塊驅(qū)動噴頭進行噴印處理，蜂鳴器與指示燈狀態(tài)反應印花系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3.1 電源電路

電源的電路根據(jù)FPGA 控制板上各個模塊以及芯片的具體需要設(shè)計。本系統(tǒng)選用的芯片主要包括FPGA 芯 片XC6SLX16、USB 芯 片CY7C68013A-56、DDR3 SDRAM 芯片MT41J64M16LA-187E 以及D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5424 等，供電電壓分別為1.14～1.26 V、3.00～3.60 V、1.50 V、2.50～5.50 V，結(jié)合供電電壓設(shè)計針對性的電源電路。

選用5 V 直流電源為電路板提供供電電壓信號。通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將5 V 直流電源轉(zhuǎn)換成本系統(tǒng)芯片所需的1.5、3.3、1.2 V 等電壓信號。選用MPS 公司的開關(guān)電源MP2143 實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，輸入電壓可以為2.5～5.5 V，最大能支持3 A的負載電流，開關(guān)頻率可達1.2 MHz［3］。MP2143 有兩個管腳（上電使能管腳EN、電壓輸出正常時指示管腳PG），通過對兩個管腳的控制可以控制其上電時序，具體電壓分配如圖3所示。

圖3 電源模塊分配示意圖

由圖3 可知，以5 V 直流電源作為MP2143 輸入電壓，3.3 V_EN、1.2 V_EN 分別為3.3、1.2 V 電壓信號的使能管腳，經(jīng)MP2143 轉(zhuǎn)換后，分別生成系統(tǒng)所需的1.5、3.3、1.2 V 電壓信號。

3.2 SPI FLASH

FPGA 控制板在上電啟動時需要從外部存儲來加載代碼。本系統(tǒng)采用SPI FLASH 作為外部存儲器，成本較低，電路設(shè)計也更加簡單，但是讀寫速度比總線FLASH 慢［4］。本系統(tǒng)對FPGA 控制板的啟動加載速度沒有特定要求，因此選用成本更低的SPI FLASH 作為程序存儲器。

FPGA 啟動代碼存儲器采用N25Q128A FLASH芯片（Micron 公司），容量大小為128 Mb，最高可以支持108 MHz的時鐘頻率。N25Q128A SPI FLASH 與XILINX XC6SLX16 芯片的連接如圖4 所示，通過對引腳的配置最終實現(xiàn)FPGA 從SPI FLASH 啟動。

圖4 SPI FLASH 連接示意圖

3.3 噴頭驅(qū)動

在實際的數(shù)碼噴墨印花過程中，F(xiàn)PGA 控制板在接收PC 機預處理的圖片數(shù)據(jù)后，同時產(chǎn)生兩路信號，其中一路信號將噴印數(shù)據(jù)與控制命令發(fā)送給噴頭接口模塊進行印花，另一路信號為高壓點火脈沖，但FPGA 控制板產(chǎn)生的信號為數(shù)字信號，需通過D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號以輸出印花噴頭工作時所需的高壓點火脈沖［5］，數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)的噴印噴頭驅(qū)動控制電路模塊構(gòu)成如圖5所示。

由圖5 可知，噴印噴頭的驅(qū)動控制電路模塊主要由FPGA 模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器模塊、噴頭接口模塊構(gòu)成。其中，D/A 轉(zhuǎn)換模塊主要負責將FPGA產(chǎn)生、用數(shù)字串表示的高壓點火脈沖信號轉(zhuǎn)換成可被噴印噴頭識別的模擬信號，再將該信號發(fā)送給功率放大器，最后將放大后的電壓信號發(fā)送給噴印噴頭進行點火印花。

選用芯片AD5424 作為系統(tǒng)D/A 轉(zhuǎn)換芯片，適用于2.5～5.5 V 的電壓環(huán)境，是8 位電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），其轉(zhuǎn)換后的輸出信號為電流信號。系統(tǒng)選用壓電式噴印噴頭，因此，選用驅(qū)動能力較好的SN10501芯片能將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。AD5425 型D/A轉(zhuǎn)換器功能圖如圖6所示。

圖6 D/A 轉(zhuǎn)換器功能圖

圖6 中，IOUT1代表經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出的電流，IOUT2一般連接系統(tǒng)的模擬地，GND 代表接地引腳，RFB表示反饋電阻的接入引腳，VDD表示輸入引腳的供電電壓，VREF為輸入的參考電壓，DATA INPUTS 為數(shù)據(jù)輸入端口，DB0～DB7 為數(shù)字輸入端口，單極代碼表如表2所示。

表2 單極代碼表

表2 反應了數(shù)字輸入編碼與對應輸出電壓間的關(guān)系，噴頭點火脈沖信號經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后生成模擬信號，但高壓點火脈沖波形功率較小，達不到驅(qū)動噴頭點火所需的規(guī)定值，因此需將信號發(fā)送給功率放大器模塊放大。用OPA548 型功率放大器，可接受的單端供電電壓為8～60 V，可輸出較寬的電壓波動。

4 軟件設(shè)計

數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要包括印花圖片的數(shù)據(jù)處理及印花過程控制。印花過程控制包括讀取印花圖片信息、設(shè)置印花參數(shù)，根據(jù)印花參數(shù)對圖片進行數(shù)據(jù)處理、設(shè)置印花起始點，接收單次印花行程數(shù)據(jù)后進行X 方向的點火印花，完成該印花行程后進行Y 方向的進布操作，再進行下一行程點火印花。具體控制過程如圖7所示。

圖7 印花控制過程

印花圖片數(shù)據(jù)處理過程如圖8 所示。開始印花時，讀取噴頭的數(shù)量及印花精度要求，按照讀取數(shù)據(jù)計算印花PASS 數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果對印花圖片數(shù)據(jù)進行拆分、重組，生成印花噴頭能識別的點陣信息［6］，調(diào)整噴頭小車的位置開始印花。

圖8 印花圖片數(shù)據(jù)處理過程

在某一行印花行程中，讀取該行的印花數(shù)據(jù)需通過FIFO 模塊保證印花圖片數(shù)據(jù)的發(fā)送與印花進程同步。本系統(tǒng)采用XILINX 公司的FPGA 芯片，其內(nèi)部提供大量的存儲資源，通過這些存儲資源可生成FIFO存儲邏輯，進行深度以及位寬配置［7］后，利用ISE 開發(fā)平臺的IP 核生成項設(shè)計異步FIFO 模塊，生成FIFO模塊示意圖如圖9所示。

圖9 FIFO 模塊接口示意圖

設(shè)置好FIFO 模塊后，對其讀寫操作進行仿真驗證。選用的印花噴頭每列含噴孔180 個，一次印花數(shù)據(jù)量為180×8 bit，因此，在進行位寬為16 bit 的寫操作時，為保證寫入數(shù)據(jù)量與一次印花數(shù)據(jù)量同步，將可編程滿信號prog_full門限定義為90（寫入數(shù)據(jù)達到90）時有效，此時不能再對FIFO 模塊進行寫操作。對FIFO 模塊進行寫數(shù)據(jù)仿真，結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可知，在對FIFO 模塊進行寫入數(shù)據(jù)時，寫入使能置一，當數(shù)據(jù)量達到prog_full 的門限值90（一次印花數(shù)據(jù)已全部被寫入）時，prog_full 值被置1，不能再對FIFO 模塊進行數(shù)據(jù)寫入操作，保證一次印花數(shù)據(jù)大小與實際印花所需大小相同。

圖10 FIFO 模塊寫數(shù)據(jù)仿真

由圖11 可知，在讀使能rd_en 被置1 后，對FIFO模塊進行讀取數(shù)據(jù)操作，同時，代表可讀數(shù)據(jù)量的rd_data_count 值也在減小，直到將FIFO 內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀出為止。

圖11 FIFO 模塊讀數(shù)據(jù)仿真

5 實驗驗證

基于本文設(shè)計的數(shù)碼噴墨印花系統(tǒng)，在完成整體設(shè)計后對整個系統(tǒng)進行實驗驗證，測試其運行過程，分析其印花效果。影響最終印花質(zhì)量的因素有很多，例如印花時室溫較低、噴墨墨管不干凈、保養(yǎng)不當、印花數(shù)據(jù)丟失等都會影響最終印花效果。針對上述情況，清洗印花機的噴墨管，對出現(xiàn)堵塞的噴頭進行吸墨清洗，以保證印花環(huán)境適宜，印花實驗結(jié)果如圖12 所示。由圖12 可知，各測試線條均排列整齊，未出現(xiàn)斷裂、錯位及消失等缺陷，且印花線條連續(xù)，印花不缺失，印花質(zhì)量較高，由此可推斷，在印花過程中，各噴孔噴墨順暢并無堵塞。

圖12 噴嘴狀態(tài)測試條

在保證各噴嘴狀態(tài)良好的情況下，還需對噴頭平行度進行測試，主要是為了保證在水平方向上，噴頭與噴印小車的導軌保持平行，否則會導致同一行噴嘴的不同顏色不在同一直線上，影響最終的印花質(zhì)量。噴頭平行度測試條如圖13 所示，當噴頭與噴印小車的導軌不平行時，黑色與紅色線條不在同一直線上，此時可以調(diào)節(jié)噴頭架上的微調(diào)器，直到在同一直線上為止。

圖13 噴頭平行度測試

完成以上測試后對噴墨印花機進行整圖印花測試，結(jié)果如圖14 所示。印花圖片寬幅1.5 m，印花精度360×720 DPI。從印花結(jié)果可以看出，該數(shù)碼噴墨印花機可以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

圖14 印花機整圖測試

6 結(jié)語

印花圖片的數(shù)據(jù)處理以及印花過程控制影響最終的印花質(zhì)量，因此要求印花圖片的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠準確、快速地對印花圖片數(shù)據(jù)進行拆分、重組，最終生成可供印花的圖片數(shù)據(jù)的點陣信息形式。針對印花過程中的數(shù)據(jù)處理與控制過程進行基于FPGA 的軟硬件設(shè)計，并對相關(guān)模塊進行仿真分析。調(diào)試與實驗驗證表明該噴墨印花系統(tǒng)可對圖片數(shù)據(jù)進行高效傳輸，并且能準確地用于印花工作。