基于計算機平臺的多噴頭噴繪機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張秋風，劉 晉

(遼寧師范大學 計算機與信息技術學院，遼寧 大連116081）

隨著大型噴繪機應用領域的拓展與普及，社會對噴繪產品的需求量與日俱增，同時人們對噴繪產品質量的要求也越來越高。優(yōu)良的噴繪機系統(tǒng)設計和噴繪機噴頭性能高低是決定噴繪產品的質量和噴繪機噴繪速度的關鍵，本實驗室引進一種新型高DPI工業(yè)用壓電噴頭，研制出一種新型高速多噴頭彩色噴繪機。該機器與國內外市場現(xiàn)有機器相比，具有高速度、高質量、高分辨率、適用于多種噴繪材質等優(yōu)勢，特別是對大幅面紡織品的印染優(yōu)勢明顯。本文介紹了機器的總體設計，主要討論在設計控制系統(tǒng)[1-4]的軟硬件過程中遇到的一些問題，并針對這些問題給出了較優(yōu)的解決方案。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)可以由一臺PC機控制下運行，采用新一代工業(yè)用壓電噴繪機噴頭，每噴頭510孔，180 dpi，為了提高噴繪速度，采用分組噴頭，每組6色或者8色，共3～6組可選，支持打印1～4灰度等級的墨滴，垂直運動采用仿步進電機的開環(huán)控制伺服電機，能實現(xiàn) 1、2、4、8 pass的打印。

因此，本噴繪系統(tǒng)采用獨立的運動控制板和可組合的數據傳輸板以及各噴頭獨立的噴頭控制板結構，方便調試、運輸和部件更換，整體設計圖如圖1所示。

1.1 硬件層次結構

本系統(tǒng)以PC機為總控制平臺，由圖像數據處理單元、機械運動控制單元、噴頭控制單元、噴頭和電機組五大單元組成?？紤]到噴繪的高速度和高精度的客戶需求，采用一個噴頭控制單元控制一個噴頭，一個圖像數據處理單元分發(fā)一組噴頭數據，一個機械控制單元協(xié)調X軸水平運動和Y軸垂直運動的控制。PC機總控制程序統(tǒng)籌數據的分發(fā)和總體運動的控制，實現(xiàn)了噴頭執(zhí)行噴繪任務、圖像數據傳輸和機械運動控制的并行化。

1.2 噴頭控制單元邏輯結構

噴頭控制單元的邏輯結構如圖2所示，PC機控制平臺根據所需載入的圖像數據設定好噴繪參數，通過USB總線把對應的圖像數據下載到每個圖像數據處理單元，圖像處理單元由FPGA和32位MCU對噴繪數據進行處理，通過數據分流傳輸接口與噴頭控制單元進行圖像數據傳輸，再經過噴頭控制單元內CPLD進行信號分配解碼與同步，將數據通過噴頭排線傳輸到噴頭。

然而，除了上述數據信號，噴頭仍需要高壓驅動才能執(zhí)行噴繪任務。由于噴頭工業(yè)生產工藝的問題，系統(tǒng)所采用的噴頭的墨水腔容積總存在微小差別，即每個噴頭的容積電壓參數值是不同的，所以不能靜態(tài)寫入程序中。針對這個問題，系統(tǒng)解決方案是利用USB總線將參數由PC機控制窗口寫入圖像數據處理單元，再由該單元通過I2C總線動態(tài)加載入噴頭控制單元。經過測試，該方案能很好地克服這一工藝缺陷，而且在更換噴頭時可以方便地對容積電壓參數進行調整。

此外，由于噴頭內部所盛墨水的溫度不同，系統(tǒng)需要實時調整當前噴頭的驅動電壓以實現(xiàn)噴頭所噴出的墨點大小一致，提高噴繪產品的視覺效果。本系統(tǒng)解決這個問題的方法是利用噴頭內置的溫度傳感器對噴頭內部所盛墨水的溫度進行溫度采樣，并將采樣電壓輸入到噴頭控制單元的8位MCU的10位A/D通道，MCU通過A/D轉換器將采樣信號轉化為當前的墨水溫度值，驅動程序則通過查找事先存儲的墨水溫度與驅動電壓輸出特性對應表，即T-V曲線，查找出應該輸出的電壓值，最后通過PWM脈寬調制加載的高電壓，輸出對應墨水溫度的驅動電壓。

1.3 機械運動控制單元

機械控制單元協(xié)調X軸水平運動和Y軸垂直運動的控制，即媒體拖動機構運動控制與噴頭運動控制[5-6]。

媒體拖動機構運動是通過電機來控制齒輪滾軸轉動，從而帶動布匹或者紙張運動進行批量噴繪生產。由于噴繪機噴頭的寬度和數目是不變的，噴頭在單位時間內的噴繪任務也是不變的，所以媒體拖動機構的運動步長位移是固定的。但是測試的過程中由于滾軸的力矩和質量過大，采用較高的勻速運動控制時產生了較大的慣性，使步長位移產生了過量現(xiàn)象。為了克服這一缺陷，這里采用了通過調節(jié)步進電機驅動波形的頻率來使?jié)L軸進行階段性的變速運動，應在運動末尾階段設定一個減速階段，從而減少慣性對位移的影響。

噴頭的運動控制采用光柵尺位移傳感器進行直線位移檢測，通過接收來自光柵的差分脈沖編碼信號與機械原點信號來產生當前噴頭小車距離原點的位置，并將其與噴繪的起始位置和結束位置進行比較，得出噴繪區(qū)間信號，通知上位機進行控制。其中光柵正交脈沖解碼模塊，采用分辨率為180 dpi的光柵尺，利用計數脈沖對兩組信號的前后沿都進行檢測鎖存，利用第一次的鎖存結果與第二次的鎖存結果進行非運算就能保證產生的前后沿信號都是標準的一個時鐘周期，進而可以獲得720 dpi的計數脈沖、位置計數及方向信號。位置計數用于計算點火范圍，計數脈沖和方向信號用于產生點火信號和雙向回差相位校正。因為要采用比較多的比較器，因此表示位置的數據位要仔細選擇。位置計數器的位數選擇計算如下，畫面采用720 dpi定位，因此每英寸有720個計數值，而噴頭小車行走的有效行程為5 m，即197英寸，使用的計數值為 197×720=141 840=22A10H，需占用18 bit，考慮可能出現(xiàn)小車過沖原點的情況，即位置可能出現(xiàn)負數，因此采用19 bit比較合適，最高位僅用于判斷計算的符號，而各個寄存器都采用18 bit來保存數據。

2 控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 對T-V曲線的優(yōu)化

在設計噴頭驅動板的過程中，由于T-V曲線表的數據量過于龐大，(從-20℃～+90℃，設計精度要求為0.1)，如果直接存儲這些數據將耗費巨大的存儲空間，那么如何基于上述硬件設計在保證噴繪實時性和節(jié)省存儲空間的前提下處理這些數據是一個較為棘手的問題，下面給出兩種設計方案。

第一種方案是利用多項式對T-V曲線進行擬合。如果采用這種方案，首先要將計算好的多項式V=f(T)的相關參數事先存入驅動程序，這樣極大地節(jié)省了存儲空間，因為需要存儲的僅僅是多項式的若干常數項。當MCU接收到溫度采樣數據時，直接將數據代入實現(xiàn)存儲的多項式內進行計算，然后將計算結果進行輸出。但是經過計算，該項目的這組數據對應的多項式次冪數高的不可容忍，在進行數據計算時，產生大量的浮點數乘法運算，極大地增加了MCU的負擔，實時性差。

第二種方案是利用最小二乘法曲線擬合對T-V曲線進行逼近。該方案在精度保證的情況下，利用最小二乘法對曲線進行動態(tài)劃分，將T-V曲線劃分成若干條單調的直線，因此每條直線只需存儲對應的斜率值和常數項兩個參數即可，在進行數據還原時只需進行一次乘法運算和一次加法運算。在測試中，該方案實際的運行達到了項目的指標，滿足實時性與存儲空間的要求，被最終采用。

綜上，實時性最優(yōu)的方案是直接存儲T-V參數表，這樣根據讀入的溫度數據直接查表即可，無需進行計算，但是這樣極大地浪費了MCU的存儲空間，但在存儲空間允許或者是參數表比較小的情況下是可以采用的。而耗費存儲量最小的方案是利用多項式對T-V曲線進行擬合，通過存儲多項式參數來實現(xiàn)T-V的數據還原，此方案在多項式次冪數低、實時性要求不高的情況下是可以采用的。

2.2 基于MCU與CPLD進行噴頭控制的設計

本系統(tǒng)的噴頭控制由8位MCU和CPLD協(xié)調完成，MCU負責驅動電壓的輸出控制，CPLD則主要負責像素數據的配置。

MCU主要包含LED顯示與按鍵控制、A/D轉換、PWM輸出、Flash自編程、定時器中斷處理等模塊，實現(xiàn)對噴頭驅動電壓的控制。

CPLD則主要負責噴頭所需時鐘信號的產生、配置數據和像素數據的編碼，驅動IC溫度檢測及報警信號發(fā)出，驅動電壓輸出控制等功能。

MCU驅動程序流程如圖3所示，噴頭控制板上電后，MCU首先初始化各寄存器，并開始與上位機進行通信，判斷是否需要重新設定相關參數，如果需要則接收參數，否則直接由指定Flash地址讀出相關參數，接著采集當前墨水溫度，并將采集結果代入T-V曲線，計算出當前應輸出的驅動電壓。此時如果接收到圖像處理單元的噴頭數據配置完成信號并且噴頭驅動IC溫度檢測正常，則開始對高壓進行脈寬調制并輸出驅動電壓，否則繼續(xù)實時采集當前墨水溫度和計算當前應輸出的驅動電壓。

圖3 MCU驅動程序流程

本噴頭系統(tǒng)利用MCU和CPLD在數字信號處理方面各自的優(yōu)勢并行工作，能高效地完成大數據量的傳輸和計算任務，滿足了大型噴繪機對高速高精度的要求，提高了工作效率。

本噴繪機經測試，達到了客戶對噴繪效果和速度的要求。打印幅寬可以達到3.2 m，水平運動可以達到720 dpi的分辨率，點火頻率可以達到 14 kHz以上，具有外吐功能，能在噴頭閑置時進行周期性吐墨，避免了噴頭堵塞。在國際市場上處于領先水平。但是由于利用USB總線進行像素數據的傳輸，在噴繪高清晰度圖像時像素數據傳輸速度相比噴頭的吞吐速度慢，所以如果有一種更高速的數據傳輸通道來代替USB進行數據傳輸，則有進一步提升噴繪效率的空間。

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