基于SOC芯片的多功能一體機(jī)主板的研究設(shè)計(jì)

喬曉輝，李珊如，楊丹青，王志剛

（河北漢光重工有限責(zé)任公司 研制部，河北邯鄲，056017）

0 引言

近年來數(shù)字激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得信息化和數(shù)字化進(jìn)程不斷加快，辦公環(huán)境也變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的復(fù)印機(jī)在功能以及性能上難以滿足用戶的要求。多功能一體機(jī)將掃描、激光打印有機(jī)結(jié)合，適用于多種辦公需求，已廣泛應(yīng)用在商業(yè)及政府機(jī)構(gòu)中。但是與國外相比，國內(nèi)對(duì)多功能一體機(jī)主板控制核心的技術(shù)研發(fā)能力相對(duì)落后，此外在數(shù)據(jù)安全方面，也面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，本研究基于SOC片上系統(tǒng)設(shè)備功能強(qiáng)大、低功耗、可擴(kuò)展性強(qiáng)、自主可靠的特點(diǎn)[1]，提出一種自主可控的多功能一體機(jī)主板的設(shè)計(jì)方案，在提高復(fù)印、打印速度的同時(shí)也能確保復(fù)印、打印過程中的信息安全，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全復(fù)印、打印和保護(hù)國防的信息安全具有重要意義。

1 主板硬件總體設(shè)計(jì)

主板是多功能一體機(jī)的重要組成部分，本研究采用的SOC片上系統(tǒng)配備了高性能的CPU和GPU，支持自動(dòng)裁切，自動(dòng)糾斜及數(shù)字圖像處理能力，能夠高效處理打印工作和進(jìn)行用戶界面操作，還集成了USB和以太網(wǎng)Mac，實(shí)現(xiàn)了智能掃描、打印、復(fù)印、存儲(chǔ)影像、互聯(lián)網(wǎng)支持等功能。此外，系統(tǒng)還內(nèi)置了Crypto加速引擎，支持安全打印。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2 主板功能模塊設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，多功能一體機(jī)的主板架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)主板硬件由功能相對(duì)獨(dú)立的掃描模塊、馬達(dá)控制模塊、打印控制模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、通信接口模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊組成。功能模塊示意圖和簡(jiǎn)單的工作信號(hào)流向如圖2所示。

圖 2 主板功能模塊示意圖

■2.1 掃描模塊

掃描模塊是多功能一體機(jī)實(shí)現(xiàn)打印輸出功能的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，掃描模塊的工作效率直接影響多功能一體機(jī)的工作狀況。本研究的主板掃描模塊設(shè)置ARDF和FB兩種模式，其中ARDF模式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸稿，并可以雙面掃描，具有自動(dòng)走紙機(jī)構(gòu)；FB模式是平臺(tái)模式，支持單面、單張紙掃描。兩種掃描模式均可實(shí)現(xiàn)300/600dpi掃描精度。

掃描模塊的核心為感光器件，本研究選取集合精度高、成本低的CIS[2]（接觸式圖像傳感器）進(jìn)行圖像前端采集。具體的過程為：圖像前端采集將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入SOC系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

■2.2 馬達(dá)控制模塊

主板的馬達(dá)控制模塊分為步進(jìn)馬達(dá)控制與直流馬達(dá)控制兩部分，用以產(chǎn)出驅(qū)動(dòng)滾軸讓紙張行進(jìn)的動(dòng)力。

步進(jìn)馬達(dá)透過控制電流與供給的電壓產(chǎn)出需要的扭力，透過步進(jìn)型態(tài)如全步，1/2步，1/4步，1/8步可以改善震動(dòng)與噪音的產(chǎn)生，透過SOC芯片內(nèi)部的加減速曲線表可輕易地控制馬達(dá)的啟動(dòng)、停止與轉(zhuǎn)動(dòng)。

直流馬達(dá)用于激光掃描打印部位棱鏡的驅(qū)動(dòng)和感光鼓電機(jī)驅(qū)動(dòng)以達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)更為順暢，影像不會(huì)抖動(dòng)，控制也很簡(jiǎn)單提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)然后使能，低電平就轉(zhuǎn)動(dòng)，高電平就停止。

2.2.1 步進(jìn)馬達(dá)控制

主板步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分有ADF、FB、EXIT、Pick up/Fuser這幾個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，下面將選取ADF的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行介紹，其他類似不再贅述。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的開環(huán)控制元件。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)按照設(shè)置的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角[3]。我們可以通過改變脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的效果。

該部分采用DRV8880PWPR芯片來驅(qū)動(dòng)ADF（自動(dòng)輸稿部件）的步進(jìn)電機(jī)，DRV8880是一款廣泛應(yīng)用于工業(yè)的雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片，該驅(qū)動(dòng)芯片能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)1.4A 均方根 (rms) 電流或者 2.0A的電流或。采用該芯片電路簡(jiǎn)單，工作范圍電壓較寬，簡(jiǎn)化的原理如圖3所示。

圖3 ADF驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化原理圖

STEP/DIR引腳是驅(qū)動(dòng)芯片的控制接口。多種步進(jìn)模式的實(shí)現(xiàn)，是通過控制器對(duì)芯片M0，M1引腳進(jìn)行設(shè)置來完成的。步進(jìn)模式能夠從1/16 步進(jìn)模式到全步進(jìn)模式。通過控制芯片專門的 nSLEEP 引腳，使其工作在低功耗的休眠模式下，該模式下能夠?qū)崿F(xiàn)超低靜態(tài)電流待機(jī)。

SOC芯片的馬達(dá)控制模塊引腳0輸出一個(gè)步進(jìn)上升沿脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的微步進(jìn)分度器前進(jìn)一步。主板上采用SN74LV595APWT芯片擴(kuò)展IO口，輸出DIR、M0、M1信號(hào)到驅(qū)動(dòng)芯片的相應(yīng)引腳。DIR用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，M0，M1用來配置步進(jìn)模式。驅(qū)動(dòng)芯片的輸出AOUT1、AOUT2、BOUT1、BOUT2到步進(jìn)電機(jī)的繞組A和繞組B。

2.2.2 直流馬達(dá)控制

多功能一體機(jī)OPC鼓（感光鼓）的轉(zhuǎn)動(dòng)采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。直流無刷電機(jī)將有刷電機(jī)的電刷、換向器和轉(zhuǎn)子繞組換成了更加精確、穩(wěn)定的位置傳感器、速度傳感器和永磁體。直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響因素有兩方面，一是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，二是轉(zhuǎn)子的極數(shù)。直流無刷電機(jī)通過控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率，讓控制中心反復(fù)矯正轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。最終達(dá)到在額定負(fù)載范圍內(nèi)，即使負(fù)載變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子仍然能夠維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的目的。

SOC芯片的馬達(dá)控制模塊引腳1輸出一個(gè)OPC鼓步進(jìn)信號(hào)，經(jīng)過場(chǎng)效應(yīng)管作為控制輸入到連接器引腳，連接器外接無刷直流電機(jī)，主控芯片通過PWM脈沖來控制加在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

■2.3 打印控制模塊

主板打印控制模塊的掃描方案采取雙激光頭掃描[4]，在掃描效率方面，雙激光掃描要優(yōu)于單激光在掃描。在感光鼓主掃描方向上，兩束激光的間隔約為290μm，副掃描方向上間隔約42.3μm，簡(jiǎn)單示意如圖4所示。主掃描方向上的兩毫米距離確保了感光器件有充分的時(shí)間檢測(cè)到每條激光束的激光同步信號(hào)。雙激光頭掃描最快可支持打印70ppm(A4LEF)。這種模式具有以下特點(diǎn)：

（1）減少六棱鏡電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度；

（2）降低了六棱鏡電機(jī)所產(chǎn)生的噪音；

（3） 減小圖像數(shù)據(jù)頻率，降低高速打印的成本。

圖 4 雙激光掃描原理圖

激光掃描單元工作包含六棱鏡電機(jī)的驅(qū)動(dòng)[5]，行掃描同步信號(hào)偵測(cè)以及兩組LVDS視頻數(shù)據(jù)打印信號(hào)的輸出。該部分在主板設(shè)計(jì)上將控制信號(hào)通過連接器傳送到激光掃面單元的部件。采用連接器與多功能一體機(jī)的激光掃描單元進(jìn)行控制與通信。該部分涉及的電路信號(hào)有三類：六棱鏡電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、激光掃描信號(hào)、掃描行同步信號(hào)，分別如表1、2、3所示。

表1 棱鏡電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

備注：CLOCK信號(hào)來自主板馬達(dá)控制模塊的引腳6棱鏡電機(jī)步進(jìn)信號(hào)，/START信號(hào)來自主板擴(kuò)展IO口，READY信號(hào)是在棱鏡電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)之后反饋給主板的控制模塊，告知其可以開始激光掃描。

表2 激光掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)

/APC1信號(hào)和/APC2信號(hào)來自SOC芯片的打印控制模塊，經(jīng)過漏記開路輸出緩沖器連接到外接LSU單元的連接器J22。這兩組信號(hào)用于控制LSU單元的自動(dòng)功率控制電路，穩(wěn)定LD的輸出功率，使其不隨溫度升高和使用增長(zhǎng)而改變。VIDEO1+、VIDEO1-、VIDEO2+、VIDEO2-為兩組低壓差分信號(hào)，當(dāng)VIDEO1+電壓大于VIDEO1-超過0.4V的時(shí)候激光掃描開啟；當(dāng)VIDEO1+電壓小于VIDEO1-超過0.4V的時(shí)候，激光掃描關(guān)閉；VIDEO2信號(hào)與VIDEO1一致，不再敘述。

表3 水平行掃描同步信號(hào)

LSU激光掃描單元的同步傳感器產(chǎn)生/LSYNC同步信號(hào)，該信號(hào)是掃描單元中不可或缺的邏輯控制量。作為感光元件的同步傳感器[6]，在激光掃描過程中有著獨(dú)特的使命，它的存在能夠讓控制單元實(shí)時(shí)獲取到激光束的路徑，從而能夠同步到打印過程中紙張的起始位置信息以及每行行首的掃描數(shù)據(jù)信息。當(dāng)一行掃描開始時(shí)，同步信號(hào)反射鏡把激光掃描光束反射給同步傳感器，傳感器將信號(hào)反饋給SOC芯片打印模塊，主控單元收到信號(hào)立即通知控制電路開始一行新的掃描。

■2.4 數(shù)字信號(hào)處理模塊

數(shù)字信號(hào)處理模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能有：ADF自動(dòng)輸稿器、平臺(tái)掃描以及打印炮制路徑需要許多的光電遮斷器偵測(cè)紙張的位置，并且可以通過超聲波傳感器判定ADF是否有多長(zhǎng)掃描的問題；依照特定對(duì)的時(shí)序啟動(dòng)高壓與打印影像以及偵測(cè)是否有卡紙，另外紙匣子中的傳感器負(fù)責(zé)紙張大小方向以及紙張剩余量的偵測(cè)，還有顯影單元傳感器偵測(cè)墨粉水位，適量補(bǔ)充粉量，以達(dá)到順暢大打印和高質(zhì)量的影像輸出。另外也與各個(gè)模塊之間做溝通連接，控制或者數(shù)據(jù)傳輸。

■2.5 通信接口模塊

主板上的通信接口設(shè)USB 3.0 Device、 USB 3.0 Host、 USB 2.0 Host、Ethernet 1Gb/S.達(dá)到方便連接PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或者U盤的功能。表4是通信接口個(gè)功能描述。

表4 主板通信接口

■2.6 電源模塊

為了能夠是支持上層軟硬件的開發(fā)，SoC 硬件平臺(tái)的接口眾多，各種接口所需要的電壓標(biāo)準(zhǔn)不同，為了使系統(tǒng)可以正常工作，本文設(shè)計(jì)了一套電源系統(tǒng)，為各個(gè)硬件模塊提供所需的電壓。

本次設(shè)計(jì)并沒有220V電源主開關(guān)，當(dāng)接入220V電源后，24V電源輸出僅為8V電壓。主控板上的連接器J41接入電源，經(jīng)過DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊變換輸出5V_R，觸發(fā)器預(yù)置端引腳上電后即為高電平，經(jīng)過電阻和電容組成的上電復(fù)位電路上電瞬間為低電平，接入觸發(fā)器并對(duì)觸發(fā)器復(fù)位，確保觸發(fā)器U51輸出高電平，之后電容充滿電，變?yōu)楦唠娖?，多功能一體機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。

在待機(jī)狀態(tài)下，按下 POWER BUTTON按鍵SW1（或者面板上電源開關(guān)，二者并聯(lián)），經(jīng)過電容耦合，觸發(fā)器的清零端引腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)器的輸出引腳輸出低電平，兩個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q22、Q23依次導(dǎo)通，Q61（N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管）的柵極變?yōu)楦唠娖?，漏極和源極導(dǎo)通，Q62（P溝道增強(qiáng)型）的柵極變?yōu)榈碗娖剑礃O和漏極形成導(dǎo)通通道，輸出5VU。具體的產(chǎn)生原理如圖5(a)所示。

5VU經(jīng)過降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生2.5VU，在經(jīng)過U53電壓比較器形成1.1VU_EN使能信號(hào)，控制U81輸出1.1VU。1.1VU再經(jīng)過U53電壓比較器形成3.3VU_EN使能信號(hào)控制U52輸出3.3VU和U29輸出1.5V_DDR。1.1VU、2.5VU、3.3VU、5VU和1.5V_DDR為主控芯片SOC的喚醒模塊進(jìn)行供電，使其工作。

POWER BUTTON同時(shí)經(jīng)過D14將電壓比較器U49的3引腳拉置0.7V左右，低于當(dāng)2引腳的2.5V，U49的1腳輸出低電平接入主控芯片SOC的喚醒模塊引腳2，SOC芯片收到后從喚醒模塊引腳6輸出高電平，控制Q14（N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管）導(dǎo)通，進(jìn)而控制Q55導(dǎo)通，輸出形成5V_SAV，5V_SAV經(jīng)過主板上的連接器J32的1腳將反饋信號(hào)反饋到電源板，控制電源板將8V電壓提升至24V。喚醒模塊的引腳6同時(shí)控制輸出3.3V_SAV和24V_SCANNER。Soc主控芯片輸出電源請(qǐng)求信號(hào)PWR_REQ信號(hào)，控制2.5V_SAV、1.1V_SAV輸出，同時(shí)產(chǎn)生SYS_EN，控制其他電源的輸出的先后順序，以滿足芯片的加電和斷電時(shí)序。

在開機(jī)狀態(tài)下按下POWER BUTTON按鍵，在觸摸屏上選擇關(guān)機(jī)，SOC芯片輸出POWER_OFF信號(hào)，經(jīng)過Q58（增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管）將U51引腳13變?yōu)榈碗娖剑?duì)U51進(jìn)行復(fù)位，使引腳8輸出高電平，之控制與開機(jī)過程相反，不再詳述。電源板最終被拉低為8V，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此部分流程參考圖5(a)中所示。

圖5 電源工作原理

3 軟件設(shè)計(jì)

多功能一體機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于安卓平臺(tái)，本次設(shè)計(jì)軟件結(jié)合了掃描和打印兩大部分的功能，上層UI收到帶有參數(shù)設(shè)置要求的復(fù)印信息請(qǐng)求后，先將請(qǐng)信息傳遞給AppCopy線程，AppCopy線程根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)原告進(jìn)行掃描，然后將掃描存儲(chǔ)的圖像文件打印出來，整個(gè)流程如圖6所示。

圖 6 多功能一體機(jī)工作流程

4 結(jié)論

本文提供了一種應(yīng)用于多功能一體機(jī)的主板設(shè)計(jì)解決方案，本設(shè)計(jì)通過選用高度整合型系統(tǒng)SOC芯片，集成掃描控制核心邏輯和打印核心控制邏輯，搭載高速周邊接口，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效地掃描打印。相較于傳統(tǒng)打印設(shè)備需要機(jī)芯打印控制器及打印語言控制器的硬件設(shè)計(jì)，有效降低了系統(tǒng)成本。