可遠(yuǎn)程控制型嵌入式噴碼機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

郭坦，羅曉曙

（廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林 541000）

社會生活水平的快速提升使得人們對食用及醫(yī)用產(chǎn)品的質(zhì)量極為注重，在甄別日常用品的是否安全時，產(chǎn)品包裝的各種標(biāo)識尤為關(guān)鍵。為了使產(chǎn)品易于追溯，噴碼機(jī)噴印技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中充當(dāng)著重要地位。更快、更好的噴印質(zhì)量和更低的生產(chǎn)成本成為噴墨打印機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的主要要求。目前市場上應(yīng)用于流水線生產(chǎn)的噴碼機(jī)體型較大，系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，而且大多噴碼機(jī)設(shè)備都是采用8/16 位單片機(jī)或ARM 單系統(tǒng)控制，其功能較單一[1-2]、噴印速度受限、出現(xiàn)問題時維修困難且維護(hù)成本高[3]。最主要的不足是，現(xiàn)有噴碼機(jī)設(shè)備無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在企業(yè)生產(chǎn)中每使用一臺噴碼機(jī)都需要配備人工實時進(jìn)行操作，生產(chǎn)的智能化程度不夠，增加了人力成本，不能更好地滿足現(xiàn)代噴碼機(jī)高效生產(chǎn)的需求[4]。

據(jù)調(diào)研，為促進(jìn)國內(nèi)噴碼機(jī)制造技術(shù)的快速發(fā)展，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造智能化[5]，近年來已有眾多研究者投入噴碼機(jī)的研發(fā)，諸如文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于ARM+CPLD 硬件平臺的高解析嵌入式噴碼機(jī)系統(tǒng)，依靠CPLD 實現(xiàn)對外圍IO 的擴(kuò)展，但該數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方法比較傳統(tǒng)化，系統(tǒng)功能簡單，擴(kuò)展性受限；文獻(xiàn)[7]中將嵌入式ARM9 技術(shù)應(yīng)用在WINCE6.0系統(tǒng)中，通過采用獨立供電方式，設(shè)計出一種抗電磁干擾的電源電路，該設(shè)計方法雖然有效避免了電磁干擾，但該方案需要用到36、12、5、3.3 V 至少四種不同電源進(jìn)行供電，不但增加了功耗，同時增大了開發(fā)成本。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前對具有遠(yuǎn)程控制的噴碼機(jī)研發(fā)還鮮見報道，市場上也未見相關(guān)產(chǎn)品。因此研究提出了一種新型可遠(yuǎn)程控制的連續(xù)型小字符嵌入式噴碼機(jī)系統(tǒng)。使用三星公司ARM9 系列的Exynos4412 主處理器，搭配下位機(jī)STM32F103RCT6為輔控制器，控制器擴(kuò)展外圍IO 設(shè)備，然后設(shè)計了ARM9 控制器運行操作系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時設(shè)計了電源電路，開發(fā)了噴頭控制電路以及相位檢測電路。在軟件系統(tǒng)開發(fā)方面，搭建Ubuntu 編譯環(huán)境，制定出高適配度的Linux 最小運行系統(tǒng)，最后搭建出可遠(yuǎn)程連接操控的Web 服務(wù)器boa[8]，開發(fā)出可對噴碼機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的操控系統(tǒng)。實現(xiàn)了針對噴碼機(jī)系統(tǒng)的智能動態(tài)控制要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達(dá)到了智能控制的目的，具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，通常采用“硬件優(yōu)先”的原則，即先硬件后軟件的系統(tǒng)設(shè)計模式[10]。小字符噴碼機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。噴碼機(jī)控制系統(tǒng)由主控制器搭配輔控制器共同組成。主控制器主要搭載運行系統(tǒng)，外連人機(jī)交互系統(tǒng)、攝像頭模塊、網(wǎng)絡(luò)接口，并外設(shè)USB 接口。輔控制器連接墨路系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、升降電機(jī)以及傳感器等。墨路系統(tǒng)又包含斷墨模塊、相位檢測模塊以及高壓偏轉(zhuǎn)模塊。噴碼機(jī)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 噴碼機(jī)系統(tǒng)基本架構(gòu)

各模塊兒功能簡述如下：遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信條件下通過Web 服務(wù)器對噴碼機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行IP訪問，對噴碼機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)噴印等功能；當(dāng)操作人員在噴碼機(jī)旁時也可以通過噴碼機(jī)系統(tǒng)自帶的人機(jī)交互系統(tǒng)對噴碼機(jī)進(jìn)行操作和設(shè)置。攝像頭與噴頭同方向安置，當(dāng)噴碼機(jī)處于噴印狀態(tài)時攝像頭與噴頭一并工作，自動開啟錄像功能，對噴印過程進(jìn)行監(jiān)測，便于后續(xù)噴印質(zhì)量的檢測。傳感器實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)噴頭的目的，預(yù)先設(shè)定好噴印的角度和距離，傳感器進(jìn)行實時的檢測，當(dāng)噴印位移偏差大于設(shè)定數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)根據(jù)傳感器上傳的實時數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)噴頭位置。旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過處理器反饋的信息對噴頭進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過USB 接口連接計算機(jī)，進(jìn)行日常檢修和維護(hù)等。斷墨模塊、相位檢測模塊以及高壓偏轉(zhuǎn)模塊實現(xiàn)噴印功能。

2 噴碼機(jī)系統(tǒng)硬件的設(shè)計

噴碼機(jī)系統(tǒng)的硬件部分主要由電源管理電路、墨滴充電電路、相位檢測電路以及高壓偏轉(zhuǎn)電路組成[11]。以Samsung ARM Cortex-A9 四核的Exynos 4412芯片作為主控制器，該芯片主頻為1.4～1.6 GHz。4412 具有1080p 顯示支技的HDMI 接口、ISP、USB 2.0 等所需的良好特性，且內(nèi)建32 kB 數(shù)據(jù)/指令一級緩存，1 MB 的二級緩存[12]，這些特性在設(shè)計噴碼機(jī)系統(tǒng)時，對外圍設(shè)備的連接控制和數(shù)據(jù)傳輸提供了極佳的硬件支持。芯片內(nèi)部GPU 采用400MP 四核圖形處理器，支持2D/3D 圖形加速，因人機(jī)交互系統(tǒng)的高清觸控屏上進(jìn)行字符輸入和控制時能得到較靈敏反饋，利用該特性開發(fā)噴碼機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)輸入及打印輸出效果較好。4412 芯片采用最新的32 nm HKMG 先進(jìn)工藝制程。相比于舊款以及其他芯片45 nm 工藝，該款芯片功耗方面有了明顯的降低，即使是四核同等芯片測試下的功耗也比雙核的4210低了40%[13]，噴碼機(jī)長期待機(jī)狀態(tài)下的耗能極低，很大程度上降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。噴碼機(jī)硬件系統(tǒng)總體框架如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)的總體框架

2.1 電源電路的設(shè)計

該噴碼機(jī)系統(tǒng)的電源電路采用模塊化設(shè)計，由于噴碼機(jī)需長時間運作或處于待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度一般較高。為了提高電路的抗電磁干擾能力，降低系統(tǒng)功耗，增加設(shè)備集成度使設(shè)備體積小巧化智能化，設(shè)計出了如圖3所示噴碼機(jī)電源電路。

圖3 噴碼機(jī)電源電路

噴碼機(jī)供電電路的設(shè)計流程：首先，噴碼機(jī)系統(tǒng)接入220 V 交流電壓，經(jīng)過電源變壓器T1 進(jìn)行初級降壓，生成兩組大約40 V 的交流低壓，再由二極管VD1-VD4 進(jìn)行橋式整流。為了增強(qiáng)噴碼機(jī)的穩(wěn)定性，還需要加上兩個47 μF 的電容形成濾波電路，一方面降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面還能保留供電系統(tǒng)所需的直流成分，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓[14]。該電源電路可以產(chǎn)生+24、+12、+5 以及-12 V 四個幅值的輸出電壓。使用三端穩(wěn)壓器W7812 和W7912 進(jìn)行穩(wěn)壓輸出的±12 V 電壓為系統(tǒng)中各類放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0800 供電；+5 V 電壓作為芯片供電電壓；+24 V 電壓供給交流振蕩器作為高壓偏轉(zhuǎn)電路的輸入電源。

2.2 墨路系統(tǒng)的硬件設(shè)計

連續(xù)型噴碼機(jī)最為精密的部分屬于墨路系統(tǒng)。墨路系統(tǒng)主要包含四個部分:墨水?dāng)嗄?、墨滴充電、相位檢測、高壓偏轉(zhuǎn)。分別實現(xiàn)：使墨水流斷成墨滴；對墨滴進(jìn)行充電；對墨滴進(jìn)行帶電量的檢測；使墨滴進(jìn)行位移偏轉(zhuǎn)。

2.2.1 墨滴充電電路的設(shè)計

墨滴充電電路的設(shè)計首先采用8 位精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0800 將STM32 處理器傳送的充電脈沖控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，利用對DAC 模塊輸送脈沖控制信號，DAC 模塊產(chǎn)生控制充電的交流信號。具體電路設(shè)計如圖4 所示。DAC0800 是一款高速電流輸出型8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其響應(yīng)時間約為100 ms，相應(yīng)IO 接口與CMOS、PMOS、TTL 等兼容。VR+輸入信號由另一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生，通過STM32 處理器產(chǎn)生不同的數(shù)字量實現(xiàn)對充電控制信號的控制。模塊DAC0800 選擇12 V 電源供電，負(fù)極連接電源模塊產(chǎn)生的-12 V電壓，并與一個10 nF的電容相連至comp 電流互補(bǔ)端，防止輸出電壓突變。由于DAC0800 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬交流信號無法直接被驅(qū)動執(zhí)行，因此，在此基礎(chǔ)上需外加一個高效低噪音運算放大器NE5534，NE5534 相比于傳統(tǒng)TL083 放大器而言，具有更好的噪聲性能、更高的外部驅(qū)動性能和更高的功率帶寬，可以實現(xiàn)對DAC0800 輸出的交流信號進(jìn)行降噪和放大。在NE5534 的8 號輸出端口接一個補(bǔ)償電容降低自激，對輸出控制信號進(jìn)行優(yōu)化。最終OUT 輸出端的交流控制信號并入直流電源再經(jīng)過放大電路調(diào)整為20～280 V 范圍的可控墨滴充電電壓。

圖4 墨滴充電模塊電路設(shè)計圖

2.2.2 相位檢測電路的設(shè)計

為了確保墨滴充電時刻與墨線分裂相同步，需要對墨滴進(jìn)行帶電量的相位檢測。墨滴經(jīng)過充電極板后是否帶有相應(yīng)所需電荷量，噴碼機(jī)系統(tǒng)并不能對結(jié)果進(jìn)行判斷，此時需要加入墨滴電荷檢測裝置，該檢測裝置外觀是一個較小的金屬頭，金屬頭后面連接信號線，金屬頭的橫截面是光滑的銅芯。檢測原理是利用靜電感應(yīng)定律，當(dāng)墨滴飛過金屬頭檢測極時，橫截面就會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，通過信號線將靜電感應(yīng)生成的電荷量傳輸至CPU，系統(tǒng)通過CPU 的反饋信息自動調(diào)節(jié)充電極板的控制電壓，進(jìn)行充電量的自適應(yīng)調(diào)整[15]。相位檢測電路如圖5 所示。

圖5 相位檢測模塊電路設(shè)計圖

具體地，為防止墨滴帶電量突變對電路造成損壞，并聯(lián)兩個二極管D5 和D9，限制集成運放輸入端的差模輸入電壓，不超過兩個二極管的導(dǎo)通電壓，起到反向輸入保護(hù)的作用。當(dāng)帶電墨滴從相位檢測金屬頭表面穿過時，金屬頭表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷量通過連接線傳送給LF353 差分運算放大電路進(jìn)行放大。為防止當(dāng)輸入信號頻率升高而造成電容的容抗減小，降低信噪比，該設(shè)計在回路中接入電阻R73、R69和R66與微分電路串聯(lián)，在反饋回路中接入電容C39和C37與微分電路并聯(lián)，抑制了高頻噪聲，對相位進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了電路的穩(wěn)定性。最后信號經(jīng)過六路施密特觸發(fā)反相器74HC14，進(jìn)行波形整型，使緩慢變化的信號轉(zhuǎn)換為清晰、無顫動的規(guī)則變化的數(shù)字信號。規(guī)則變化的數(shù)字信號傳至CPU 處理器進(jìn)行逐級調(diào)整相位余裕，并不斷進(jìn)行充電測試，使每一級相位值都將得到對應(yīng)的充電值。

2.2.3 高壓偏轉(zhuǎn)電路的設(shè)計

當(dāng)墨滴經(jīng)過斷墨、充電、相位檢測后，墨滴帶有一定的電荷量，通過對墨滴外加一對高壓偏轉(zhuǎn)電場，控制墨滴的飛行路徑和偏移位置。為方便通過軟件程序?qū)δ蔚穆潼c位置自動調(diào)整，需要由控制電路的小信號對高壓產(chǎn)生模塊進(jìn)行控制，打開或關(guān)閉高壓的產(chǎn)生。根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計要求，高壓偏轉(zhuǎn)電路的設(shè)計原理是通過外加電源電路產(chǎn)生的24 V 直流電壓，經(jīng)過555 交流振蕩電路變?yōu)? V 的交流電。同時為防止功率太小、驅(qū)動能力不足，設(shè)計時添加了OTL功率放大電路。在脈沖信號的控制下，經(jīng)過升壓器生成峰值為1 000 V 的交流電，最后通過10 倍高壓整流模塊，置換出墨滴進(jìn)行偏轉(zhuǎn)所需的10 000 V 偏轉(zhuǎn)高壓。偏轉(zhuǎn)高壓生成流程圖及交流振蕩電路和變壓整流電路分別如圖6-8 所示。

圖6 高壓生成流程圖

圖7 交流振蕩及升壓電路

圖8 10倍壓整流電路

3 噴碼機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計

噴碼機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要包含兩大部分：根據(jù)功能所需對Linux 運行系統(tǒng)進(jìn)行裁剪、配置和編譯；設(shè)計了可遠(yuǎn)程控制的噴碼機(jī)管理系統(tǒng)，并闡述了該系統(tǒng)的登錄界面。

3.1 Linux運行系統(tǒng)的定制

為了降低功耗，避免CPU 資源的浪費，根據(jù)噴碼機(jī)具體功能的需求，需要一系列的裁剪和配置，并編譯出適配遠(yuǎn)程控制的噴碼機(jī)Linux 操作系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)編程是基于Linux 內(nèi)核之上的應(yīng)用程序的編程，通過系統(tǒng)函數(shù)和庫函數(shù)調(diào)用Linux 的內(nèi)核資源，進(jìn)而實現(xiàn)噴碼機(jī)系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)邏輯和噴碼機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理以及噴印等功能[16]。通過配置工具menuconfig對噴碼機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行配置，打開噴碼機(jī)系統(tǒng)所需的USB、串口UART、網(wǎng)卡、攝像頭以及電機(jī)等相關(guān)驅(qū)動支持，并刪除噴碼機(jī)系統(tǒng)不需要的驅(qū)動功能。最后把編譯生成的鏡像文件移植到核心板供系統(tǒng)運行使用。

3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

實現(xiàn)噴碼機(jī)的遠(yuǎn)程控制是利用遠(yuǎn)程PC 端網(wǎng)頁控制界面進(jìn)行完成的，其主要包含Web 服務(wù)器的搭建和控制程序的設(shè)計兩部分。

3.2.1 Web服務(wù)器的搭建

該設(shè)計用到的通信服務(wù)器為小型Web 服務(wù)器boa，該服務(wù)器支持CGI(Common Gateway Interface)外部應(yīng)用擴(kuò)展程序的編程，并適合于嵌入式系統(tǒng)的http 服務(wù)器，因具有小巧高效、源代碼開放、低功耗且占用CPU 資源少等優(yōu)點，常用來處理嵌入式系統(tǒng)的通信任務(wù)，能夠為CGI 程序fork 出單獨一個進(jìn)程來執(zhí)行相應(yīng)的客戶請求，適合在遠(yuǎn)程PC 端發(fā)送相應(yīng)的控制指令。

通過CGI 編程編寫外部擴(kuò)展應(yīng)用程序，使用HTML 編程編寫網(wǎng)頁控制界面，在Ubuntu12.04 系統(tǒng)中搭建Web 服務(wù)器boa，將搭建好的服務(wù)器boa 在編譯環(huán)境中進(jìn)行配置和編譯，生成可執(zhí)行程序boa，再將編譯生成的可執(zhí)行程序移植到文件系統(tǒng)中，使嵌入式噴碼系統(tǒng)開機(jī)自動運行可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的boa程序。然后在遠(yuǎn)程PC 端通過網(wǎng)頁輸入噴碼系統(tǒng)的IP 地址，遠(yuǎn)程PC 端網(wǎng)頁就會打開能對噴碼系統(tǒng)進(jìn)行控制的界面。Web 服務(wù)器運行流程如圖9 所示。

圖9 Web服務(wù)器搭建及工作流程圖

3.2.2 噴碼機(jī)控制程序的設(shè)計

該設(shè)計要實現(xiàn)對噴碼機(jī)的遠(yuǎn)程控制需要用到CGI 編程，即通用網(wǎng)關(guān)界面，通過CGI 程序的運行可以使噴碼機(jī)的應(yīng)用程序在boa 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下運行。具體地，用戶通過Web 瀏覽器對噴碼機(jī)進(jìn)行IP 訪問，形成的HTTP 請求通過瀏覽器發(fā)送到Web服務(wù)器，Web 服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程接收到該請求后會創(chuàng)建一個CGI 的子進(jìn)程，該子進(jìn)程將CGI 請求的有關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置成環(huán)境變量，然后根據(jù)get 鏈接方式啟動指定的CGI 處理程序從環(huán)境變量中讀取數(shù)據(jù)，處理后經(jīng)Web 服務(wù)器送回瀏覽器顯示給用戶[17]。CGI 應(yīng)用程序可以由大多數(shù)的編程語言編寫，如PERL（Practical Extraction and Report Language)、CC++、Java 和Visual Basic 等。該設(shè)計用C 語言進(jìn)行CGI 程序的編寫，主要完成了獲取遠(yuǎn)程PC 端Web網(wǎng)頁提交過來的對噴碼機(jī)進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)指令，然后對服務(wù)器獲取的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行解析，最后對噴碼機(jī)系統(tǒng)的I/O 通信進(jìn)行管理，并調(diào)用相關(guān)函數(shù)對噴碼機(jī)進(jìn)行控制和操作。圖10 為噴碼機(jī)控制程序的工作流程圖。

圖10 噴碼機(jī)控制程序工作流程圖

4 系統(tǒng)的測試

在遠(yuǎn)程PC 端網(wǎng)頁對噴碼機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入和開始噴印控制進(jìn)行測試。首先，將編寫好的網(wǎng)頁腳本程序index_web.html 和噴碼機(jī)控制程序ink-jet.cgi移植到噴碼機(jī)文件系統(tǒng)，再將文件系統(tǒng)燒錄到噴碼機(jī)系統(tǒng)中。編寫的部分網(wǎng)頁測試代碼如下所示：

系統(tǒng)正常運行后，在遠(yuǎn)程PC 端瀏覽器中輸入噴碼機(jī)的IP 地址后，就會得到如圖11 所示控制界面，先點擊信息輸入按鈕，然后點擊submit 按鈕就可進(jìn)入到一個待噴印信息輸入的界面，然后再點擊開始噴印，服務(wù)器端就會處理收到的信息，鏈接相應(yīng)的CGI 程序，CGI 程序?qū)Ρ韱翁峤坏男畔⑦M(jìn)行分析，最后CPU 調(diào)用ioctl 函數(shù)實現(xiàn)噴頭噴印功能。

圖11 Web遠(yuǎn)程網(wǎng)頁控制界面簡圖

5 結(jié)束語

該研究簡要介紹了基于雙ARM 架構(gòu)噴碼機(jī)的優(yōu)點以及嵌入式噴碼機(jī)系統(tǒng)的軟硬件要求，重點介紹了電源電路的設(shè)計以及墨路系統(tǒng)中的墨滴充電電路、相位檢測電路和高壓偏轉(zhuǎn)電路的設(shè)計。同時設(shè)計出支持遠(yuǎn)程PC 端網(wǎng)頁操作的噴碼機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)流水線智能化生產(chǎn)，同時為當(dāng)今疫情環(huán)境下無接觸居家遠(yuǎn)程辦公提供了技術(shù)支持。后續(xù)，在設(shè)計的基礎(chǔ)上仍可以對噴碼機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，可以實現(xiàn)同時操控多臺噴碼機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

該設(shè)計無論是在食品包裝噴印還是電子設(shè)備的標(biāo)識噴印，都有極好的應(yīng)用前景，噴印高效，節(jié)省生產(chǎn)成本。同時在特殊環(huán)境下可以實現(xiàn)無接觸、不停工遠(yuǎn)程噴印生產(chǎn)。