基于DSP控制的USB接口速印機(jī)

１引言 　　

速印機(jī)（也稱速印一體機(jī)）是指通過數(shù)字掃描，數(shù)碼熱敏頭制版成像的方式進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)印刷速度在每分鐘１００張以上的印刷設(shè)備。速印機(jī)印速快、成本低、耗電少、維護(hù)方便，使其廣泛應(yīng)用于經(jīng)常大批量印刷的學(xué)校、機(jī)關(guān)中。所以近幾年來國內(nèi)外對(duì)速印機(jī)的研究也在不斷升溫。本文提出了一種將圖像處理和電機(jī)控制功能集成于一片ＤＳＰ芯片內(nèi)，并支持電腦直接打印輸出功能的解決方案。

２　系統(tǒng)硬件組成 　　

本文設(shè)計(jì)的速印機(jī)的控制系統(tǒng)主要組成部分有：面板控制器（選用８０Ｃ５１單片機(jī)）、ＤＳＰ（選用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２）、ＦＰＧＡ（選用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８）、ＵＳＢ芯片（選用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３）、ＣＩＳ（接觸式圖像傳感器）、ＴＰＨ（熱敏打印頭）、ＳＤＲＡＭ、按鍵、液晶顯示器、電機(jī)、電磁開關(guān)、傳感器等。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示 　　圖１　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 　　

３　工作原理 　　

僅使用速印功能時(shí)，其工作流程可分為制版和印刷兩步。制版工作流程為：待制版鍵按下后，面板控制器將制版信號(hào)通過串口送至ＤＳＰ（數(shù)字信號(hào)處理器），ＤＳＰ通過中斷響應(yīng)制版信號(hào)，并啟動(dòng)掃描電機(jī)和ＤＳＰ片上的ＡＤＣ模塊，同時(shí)ＤＳＰ通過握手信號(hào)告知ＦＰＧＡ（可編程邏輯門陣列）啟動(dòng)ＣＩＳ。ＦＰＧＡ產(chǎn)生ＣＩＳ的時(shí)鐘信號(hào)ＣＬＫ、選通輸入信號(hào)ＳＩ及各色光源選通信號(hào)，并通過這幾個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的相應(yīng)時(shí)序控制ＣＩＳ通過模擬信號(hào)輸出引腳ＳＩＧ向ＡＤＣ模塊串行移位輸出對(duì)應(yīng)像素的灰度。ＤＳＰ把掃描到的圖像數(shù)據(jù)通過γ補(bǔ)償、濾波、二值化、數(shù)字半色調(diào)圖像處理后，把數(shù)據(jù)存放在ＳＤＲＡＭ存儲(chǔ)器中，并通過握手信號(hào)通知ＦＰＧＡ從ＳＤＲＡＭ存儲(chǔ)器中提取光柵數(shù)據(jù)并控制熱敏打印頭將其燒寫在版紙（也稱蠟紙）上，制版結(jié)束。

印刷工作流程為：印刷按鍵按下后，版紙牽引電機(jī)和壓版電機(jī)配合將版紙掛到滾筒上，此時(shí)油墨電機(jī)工作均勻上墨，待進(jìn)紙電機(jī)把紙送到印刷區(qū)后，壓紙電機(jī)把紙貼到滾筒上，主電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)一圈后，分離電機(jī)開始工作將紙從滾筒上剝離?！〈垙堖M(jìn)入出紙區(qū)后，出紙電機(jī)和負(fù)壓風(fēng)機(jī)同時(shí)工作將紙送出，至此第一張紙印刷完成。印刷多張時(shí)就不用再制版了，直接印刷即可。

若使用電腦直接打印功能時(shí)，其工作流程為：電腦主機(jī)通過ＵＳＢ芯片把數(shù)據(jù)傳給ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ通過產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)將數(shù)據(jù)存至ＳＤＲＡＭ存儲(chǔ)器中，然后ＦＰＧＡ按行將數(shù)據(jù)燒寫至版紙上。制版完成后，ＦＰＧＡ通過ＤＳＰ的外部中斷引腳觸發(fā)ＤＳＰ的外部中斷，在ＤＳＰ的外部中斷服務(wù)程序中，進(jìn)行印刷流程。

４基于ＤＳＰ的電機(jī)控制 　　

ＴＩ公司的數(shù)字信號(hào)處理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２片上集成了兩個(gè)事件管理器模塊（ＥＶＡ，ＥＶＢ）。每個(gè)事件管理器都包含通用目的定時(shí)器、全比較ＰＷＭ單元、捕捉單元和正交脈沖編碼電路等，可同時(shí)方便的控制兩部電機(jī)，專為多軸運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。［１］　在本系統(tǒng)中兩個(gè)事件管理器分別應(yīng)用于控制三相無刷直流電機(jī)（主電機(jī)）和三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（掃描電機(jī)）。

對(duì)三相無刷直流電機(jī)的控制采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速方式。其控制系統(tǒng)框圖如圖２ 　　圖２　轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速原理框圖 　　

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的捕捉單元可以方便的捕捉編碼器的脈沖信號(hào)，以形成速度反饋。其ＡＤＣ模塊可以將霍爾電流傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以形成電流反饋。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的全比較ＰＷＭ單元使得產(chǎn)生ＳＶＰＷＭ（空間矢量脈沖寬度調(diào)制）的操作大大簡化。雙閉環(huán)調(diào)速方式提高了主電機(jī)（三相無刷直流電機(jī)）的控制精度。

步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（１）角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，無累積誤差，具有良好的跟隨性。

（２）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。

（３）速度可在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能獲得大轉(zhuǎn)矩。

（４）步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：單三拍、雙三拍和六拍工作方式。單三拍工作方式即是按Ａ－Ｂ－Ｃ方式循環(huán)通電；雙三拍循環(huán)通電順序?yàn)椋粒拢拢茫茫?；六拍循環(huán)通電順序?yàn)椋粒粒拢拢拢茫茫茫粒ㄉ鲜鋈N循環(huán)通電順序均為正轉(zhuǎn)方式）。［２］　三種工作方式中六拍工作方式相電流、轉(zhuǎn)矩最大，高頻性能最好，電磁阻尼大，不易產(chǎn)生振蕩。所以本系統(tǒng)采用三相六拍工作方式控制步進(jìn)電機(jī)。另外為了使步進(jìn)電機(jī)更加穩(wěn)定還使用了機(jī)械阻尼法，就是在電動(dòng)機(jī)軸上加阻尼器。

５圖像處理 　　

在僅使用速印功能時(shí)，其圖像處理過程可分為五步：模擬圖像數(shù)字化、γ校正、濾波、二值化和數(shù)字半色調(diào)處理。

模擬圖像數(shù)字化是由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２片上集成的ＡＤＣ模塊實(shí)現(xiàn)的。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的ＡＤＣ模塊是一個(gè)１６通道１２位分辨率具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的１６個(gè)通道可配置為兩個(gè)獨(dú)立的８通道，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為８０ｎｓ。從ＣＩＳ中輸出的模擬圖像的電流經(jīng)過ＡＤＣ模塊采樣，其數(shù)字值存放在對(duì)應(yīng)通道的結(jié)果寄存器ＡＤＣＲＥＳＵＬＴ中，等待ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的ＣＰＵ作進(jìn)一步的處理。

圖像傳感器的輸入輸出特性一般都不是線性的，即入射光強(qiáng)度Ｌ和曝光量Ｄ或者是輸出電流Ｉ不是正比關(guān)系。輸入輸出關(guān)系可用以下公式表示：　。若γ為１時(shí)，輸入輸出為正比關(guān)系。但γ一般在０．４到０．８之間。對(duì)這種非線性關(guān)系進(jìn)行校正，使其成為正比關(guān)系的 　　操作稱為γ校正?？勺鲆粋€(gè)具有平均特性的速查表來進(jìn)行γ校正。［３］ 　　圖像中的邊緣和噪聲對(duì)應(yīng)于傅里葉變換中的高頻部分，所以要削弱噪聲就需要減弱高頻分量部分。我們需要選擇一個(gè)合適的低通濾波器。理想低通濾波器（將高頻成份直接“截去”）可以削弱噪聲、平滑圖像，但容易產(chǎn)生模糊和振鈴現(xiàn)象。一階巴特沃思（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）低通濾波器可以平滑圖像、削弱噪聲，并且巴特沃思低通濾波器在高頻與低頻間的過渡比較光滑，所以不易出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。由于圖像邊緣部分也對(duì)應(yīng)于傅里葉變換中的高頻部分，過分削弱高頻分量會(huì)使圖像模糊。所以選擇合適的截止頻率即能有效去除噪聲，又能使圖像不太模糊。品質(zhì)要求較高時(shí)，也可再對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿J化清晰處理。

圖像的二值化就是將灰度圖像變?yōu)橹挥袃蓚€(gè)灰度級(jí)的圖像。其過程非常簡單，就是確定一個(gè)閾值Ｔ，大于閾值的灰度值變?yōu)椋?，小于閾值的灰度值變?yōu)椋?。在一幅圖像的整體范圍內(nèi)只取一個(gè)閾值來對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理的方法稱為全局閾值法。將圖像分成幾個(gè)子塊，在每個(gè)子塊中選取最佳閾值的方法為局部閾值法。在純文本速印方式時(shí)使用全局閾值法，在圖片速印方式時(shí)使用局部閾值法。本系統(tǒng)中采用最大方差比法計(jì)算閾值。

數(shù)字半色調(diào)處理過程就是創(chuàng)建復(fù)合點(diǎn)（也稱半色調(diào)單元）的過程。復(fù)合點(diǎn)（ｓｐｏｔ）是由打印機(jī)點(diǎn)（ｄｏｔ）組成的方塊網(wǎng)格，這些網(wǎng)格中的任何一個(gè)打印機(jī)點(diǎn)都是可以打開或關(guān)閉的（白色或黑色）。若要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)深色復(fù)合點(diǎn)，可以將該復(fù)合點(diǎn)內(nèi)的打印機(jī)點(diǎn)多打開一些；若要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)淺色復(fù)合點(diǎn)，可以少打開一些打印機(jī)點(diǎn)。人眼具有低通特性，能將復(fù)合點(diǎn)看成具有灰度的點(diǎn)。［４］　這些復(fù)合點(diǎn)具有３個(gè)屬性：頻率、角度和形狀。本系統(tǒng)使用分辨率為４００ｄｐｉ＊４００ｄｐｉ的打印機(jī)。網(wǎng)點(diǎn)頻率為５０ｌｐｉ（ｌｉｎｅｓ?。穑澹颉。椋睿悖瑁叶壬A數(shù)為６５，采用４５度方塊形網(wǎng)格。使用數(shù)字半色調(diào)處理技術(shù)，可以在二值輸出設(shè)備上輸出漂亮的灰度（連續(xù)色調(diào)）圖像。

６通訊接口 　　

一般的串口通訊速率為幾Ｋｂ／ｓ到幾十Ｋｂ／ｓ，并口的速率為４０Ｋｂ／ｓ到１　Ｍｂ／ｓ，ＵＳＢ接口有低速、全速和高速三種工作方式，低速模式的傳輸速率為１．５Ｍｂ／ｓ，全速為１２?。停猓?，高速可達(dá)４８０?。停猓螅貏e適合像速印機(jī)這樣的需要大批量傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。本速印機(jī)選用ＵＳＢ２．０全／高速接口作為與電腦主機(jī)的接口。

ＵＳＢ功能設(shè)備芯片選用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＥＺ－ＵＳＢ?。疲兀蚕盗械模茫伲罚茫叮福埃保?。它包括１個(gè)增強(qiáng)型８０５１處理器、１個(gè)串行接口引擎（ＳＩＥ）、１個(gè)ＵＳＢ收發(fā)器、８．５ＫＢ片上ＲＡＭ、４　ＫＢ?。疲桑疲洗鎯?chǔ)器及１個(gè)通用可編程接口（ＧＰＩＦ）。它支持高速模式，兼容全速模式，性價(jià)比高，是ＵＳＢ２．０接口設(shè)計(jì)的主流芯片之一。［５］ 　?。眨樱露x了四種傳輸方式：控制傳輸方式、等時(shí)傳輸方式、中斷傳輸方式和批量傳輸方式，以適應(yīng)各種設(shè)備的需要。在開發(fā)ＵＳＢ設(shè)備時(shí)可通過設(shè)置相應(yīng)寄存器使端點(diǎn)處于不同的工作方式?？刂苽鬏斨饕脕磉M(jìn)行查詢、配置端點(diǎn)和給設(shè)備發(fā)送命令。等時(shí)傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間，它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時(shí)應(yīng)用中。例如ＵＳＢ麥克風(fēng)、音箱等使用等時(shí)傳輸是很好的選擇。中斷傳輸方式是ＰＣ機(jī)周期性的輪詢?cè)O(shè)備是否有數(shù)據(jù)要傳送的一種方式，該方式應(yīng)用于少量的、分散的、不可預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸，比如鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿等。批量傳輸方式主要應(yīng)用于無帶寬和間隔時(shí)間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，打印機(jī)、掃描儀和ＵＳＢ硬盤等就屬于這種類型。在速印機(jī)系統(tǒng)中，ＵＳＢ芯片“大”端點(diǎn)２、４、６、８均配置為雙倍緩沖區(qū)批量傳輸方式。

ＣＹ７Ｃ６８０１３有３種接口模式：端口模式、從屬ＦＩＦＯ模式和ＧＰＩＦ主控器模式。在端口模式中，所有Ｉ／Ｏ引腳都是通用Ｉ／Ｏ端口。從屬ＦＩＦＯ模式中，外部控制器可像普通ＦＩＦＯ一樣對(duì)ＦＸ２的多層緩沖ＦＩＦＯ直接進(jìn)行讀寫。ＧＰＩＦ主控器模式下，可以編程讀寫控制波形，幾乎可以對(duì)任何８／１６　位接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，非常靈活。ＣＹ７Ｃ６８０１３雖然可以用片上增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)直接處理ＵＳＢ２．０數(shù)據(jù)，但這樣會(huì)受到單片機(jī)速度的限制而無法實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０的高速傳輸。從屬ＦＩＦＯ方式可以解決這一矛盾，在此種方式下，ＵＳＢ數(shù)據(jù)流并不經(jīng)過ＣＹ７Ｃ６８０１３的片上增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)，而是直接在快速外部主設(shè)備與ＦＩＦＯ端點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高速傳輸。

ＵＳＢ的軟件設(shè)計(jì)包括：固件程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

（１）固件程序設(shè)計(jì) 　　

固件程序由ＵＳＢ芯片集成的增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)來處理，其主要工作是解析并執(zhí)行主機(jī)的命令。ＦＸ２的一個(gè)重要特性就是以“軟”為主，內(nèi)部無ＲＯＭ，僅有程序和數(shù)據(jù)ＲＡＭ，所以需要通過主機(jī)將固件程序下載至ＲＡＭ中運(yùn)行。ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了ＥＺ－ＵＳＢ?。疲兀补碳绦蚩蚣芤约铀俟碳绦虻拈_發(fā)?！。郏叮?　　

（２）驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 　　

本系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，即固件下載驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序。固件下載驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)在外部設(shè)備連接到ＵＳＢ總線后把特定的固件程序下載到ＦＸ２的ＲＡＭ中，ＦＸ２模擬斷開與ＵＳＢ總線的連接以完成對(duì)固件的重新設(shè)置，并使用新的固件程序進(jìn)行重枚舉。主機(jī)則根據(jù)新的設(shè)置來安裝設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序不必對(duì)具體硬件編程，它只需定義與應(yīng)用程序的接口，定義與外部設(shè)備的通信接口和通信數(shù)據(jù)格式。應(yīng)用程序調(diào)用設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用總線驅(qū)動(dòng)程序把ＵＳＢ命令傳給硬件。ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了固件下載驅(qū)動(dòng)程序范例，只需作少量修改即可作為本系統(tǒng)的固件下載驅(qū)動(dòng)程序。為加速設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了ＥＺ－ＵＳＢ通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范。此規(guī)范的目的是描述從用戶應(yīng)用程序到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口方式。

（３）應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

本速印機(jī)的應(yīng)用程序使用了Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)應(yīng)用程序插件。

７　結(jié)束語 　　

本文提出了一種基于ＤＳＰ和ＵＳＢ接口的速印機(jī)解決方案，并從電機(jī)控制、圖像處理和通訊接口三方面做了詳細(xì)的闡述。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)打印品質(zhì)良好，印速可達(dá)１２０ｒ／ｍｉｎ，并可實(shí)現(xiàn)電腦直接打印，拼接印刷，縮放印刷等功能。此解決方案使得硬件控制電路得到簡化，整體性能有所提高，圖像處理技術(shù)的升級(jí)更加方便，是一種優(yōu)化的解決方案。展望：可在此方案基礎(chǔ)上再增加掃描儀功能，使其功能更加強(qiáng)大。