摘 要：介绍了数字包装印刷机系统的整体设计以及USB控制器CYUSB3014芯片的特性。通过对USB控制器固件程序和FPGA程序的设计，实现了FPGA通过USB接口高速可靠的数据传输。
关键词：USB 3.0; CYUSB3014; 数字包装印刷机
随着印刷行业的高速发展，数字包装印刷机的应用越来越广泛。但是在快速化的数字包装印刷的实时工业现场, 以USB 2.0接口实现的信息传输已经不能满足工业生产对传输速度的要求，而USB 3.0接口技术的出现能很好地实现这个目标。在2008年公布的USB 3.0协议[1]理论上可达到5 Gb/s的极限传输速度,虽然有传输协议的开销和系统的设计开销，但其仍然可以达到工业高速化的要求。
1 USB 3.0简介
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0(SuperSpeed USB) Promoter Group 于2008年11月18日宣布，该组织负责制定的 USB 3.0标准接口与线缆样品新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布[2]。USB 3.0中定义了8根信号线，较USB 2．0多了SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-4根数据线,这也是USB 3.0速度比USB 2．0大幅提升的原因之一。新规范使USB 3.0提供了十倍于USB 2.0的传输速度，可用于数字视频信息的采集、数字导航、工业摄像等。新的USB 3.0在保持与USB 2.0兼容性的同时，还提供了几项增强功能，即：极大提高了带宽——高达5 Gb/s全双工(USB 2.0则为480 Mb/s半双工)；实现了更好的电源管理；能够使主机为器件提供更多的功率;能够使主机更快地识别器件；使数据处理的效率更高。
2 系统整体结构设计
印刷机的打印分为两种情况：一种是通过PC机直接控制打印的方式，称为联机打印模式；另一种是将图像载入到存储器中，不需要PC机的控制，直接由喷绘机的控制系统操控的打印模式，称为脱机打印模式。
在联机打印模式下，针对数字包装印刷机系统的特点，本系统可实现由一台PC机作为上位机来控制运行，采用IJA模式喷绘机喷头，每喷头510孔，物理精度为180 dpi。同时,为了提高数字包装印刷机的喷绘速度，采用压电喷头，三列喷口，支持多喷口同时喷墨。系统的主控制器由数据传输板与运动控制板组成，采用Cyclone Ⅱ系列EP2C8Q208C8作为首选芯片进行设计[3]，数据传输系统使用Cypress公司的CYUSB3014控制芯片。上位机发出控制命令和图像信息，通过CYUSB3014接口芯片传输到主控制器上;主控制器通过运动控制模块和喷头控制模块将喷头需要的图像数据信息传输到喷头板上;FPGA负责USB的数据信息的接收、小车的运动控制、二级墨盒液位检测、二级墨盒液泵控制、喷头板的图像数据格式转换和传输以及喷头位置和颜色点火顺序的控制。
本文主要介绍上位机与数字包装印刷机主控制器的数据传输。当上位机发出控制信号，经USB芯片CYUSB3014解析后与FPGA进行通信；系统主控制器检测到上位机发出的控制命令之后，通过USB接口芯片CYUSB3014以异步从属FIFO模式将数据由DDR2传输到USB内部的FIFO中，最后传输到FPGA内部的FIFO中；主控制器读取USB传输过来的数据，再分配给4色喷头。控制系统的整体设计如图1所示。
2.1 USB接口设计
数字包装印刷机的喷印以行为单位，每行喷印过程中必须以恒定的速度喷印。在每行的行端，喷头小车要进行加减速和换向，要卷动卷布辊进布，以便进行下一行的喷印。恒定速度的喷印必须有恒定的图像数据传输率来保证。喷印速度要求越高，对图像数据的传输速度要求也越高。
2.1.1接口芯片的选择
在本通信系统中,选用CYUSB3014芯片，其采用的构架是EZ-USB FX3。这是一款新的USB 3.0芯片，它集成了增强型的AEM926ej-s内核，并采用了低功耗设计，速度高达5 Gb/s，代表了业界的领先水平，是新一代符合USB 3.0高速控制器的构架[4]。
2.1.2 接口芯片的设计
在传输控制系统中，传统的数据接收方式一般是通过FX系列芯片内部的CPU接收上位机传输的数据并进行数据同步，然后经过FPGA传输到喷头，最后通过主控制器发出的点火命令实现喷头的点火工作。这种方式在芯片内部经过了多个数据存储器，易导致数据的传输速度不断变慢，不能满足工业现场对数据高速、实时传递的要求。
通过对数字包装印刷机工作原理的研究，可以看出数据传输系统对传输的数据只是进行了同步，然后通过FPGA传输到喷头进行打印操作，并不需要对图像数据进行复杂的处理。CYPRESS公司的FX3系列的芯片中提供一种加快数据传输的从属FIFO模式。这种模式在USB的主机与FPGA之间直接建立通道，从而旁路掉CPU，减少不必要的速度损耗，实现端点FIFO与外部数据的直接交换，提高数据的传输速度。
通过对数据传输系统的分析,采用一种将CPU旁路的方法提高速度。在USB 2.0传输的时代，数据传输的极限速度是60 MB/s,通常工业使用的速度大概在40 MB/s左右，因此只要通过芯片自带的内部端点FIFO就可以解决问题。而到了USB 3.0的时代，速度有了质的提高，如果仅仅使用内部FIFO进行缓冲，可能出现丢失数据的情况。因此在数据传输系统上加上大存储DDR2内存，保证数据的传输更加安全、快速。该设计使数据不经过CYUSB3014内部CPU的处理直接传输到FPGA的FIFO中，然后通过主控制器的控制命令发送给各个喷头进行打印。
2.2 FPGA接口设计
选用CYUSB3014芯片作为USB 3.0的接口芯片，由于接口芯片的最大时钟频率远远低于FPGA的时钟频率，因此不能将接口芯片与主控制器总线直接相连，所以需要芯片接口和FPGA内部总线进行连接。由于两个模块的数据传输速度不同，因此在USB外部连接大容量的DDR2内存，在FPGA内部建立USB的数据FIFO缓冲区，以便于数据的传输，保证在数据高速传输过程中的完整性和准确性。同时，FPGA作为Slave FIFO模式的外部控制逻辑，提供USB的片选、写数据时钟和端点选择等信号，实现对数据读写的控制[5]。
为保证实时性，这些数据应该通过缓冲与上位机接口,最好的缓冲就是FIFO。由于CycloneⅡEP2C8Q208C8的NiosⅡ内核不支持USB 3.0协议,系统扩展采用CYUSB3014 USB扩展接口芯片，在 FPGA内部设计与CYUSB3014 USB的接口。为了最大限度使用FPGA存储单元，FIFO采用32 bit数据格式存储。控制模块从CYUSB3014中获取数据并经过USB_FIFO对数据进行一级缓存，之后将一级缓存中的数据按C、M、Y、K四色每色依次分配512 bit的方式分配到FIFO_C、FIFO_M、FIFO_Y、FIFO_K 4个二级缓存当中。这要求上位机给出图像数据时严格按照C、M、Y、K四色各512 bit的大小给出数据块并通过USB传输。二级缓存中的数据经过移位控制按预定传送方式将数据分别传送给C、M、Y、K四色喷头。
3 实验结果测试
数据传输系统的控制芯片变为CYUSB3014，它提供了全新的接口方式和传输模式，由以前的半双工传输变为全双工传输。通过采用Slave FIFO的高速传输模式，使数字包装印刷机的数据传输速度有了质的提高，其数据传输速度比原来的42 MB/s提升了3倍,数据的稳定传输速率可达到135 MB/s,有时突发速率可达270 MB/s左右。系统速度测试结果如图2所示。
本文对数据传输系统进行了重新设计,采用了CYUSB3014全新的接口芯片和FPGA芯片，使整个数字包装印刷机的数据传输速率和稳定性得到了极大的改善，满足了工业实施现场对数据传输速度的要求。
参考文献
[1] NEC. Universal serial bus 3.0 specification[EB/OL].(2009-01-xx)[2012-07-24].http: //www.NEC.com.
[2] 刘妍秀.USB3.0体系结构及发展前景[J].长春大学学报2010,20(10):23-26.
[3] Altera. Cyclone Ⅱ EP2C8Q208C8[EB/OL].[2012-07-24].http:www.altera.com.cn/.
[4] Cypress semiconductor. CYUSB3014 Datasheet[EB/OL]. [2012-07-24]. http://www.cypress.com/.2012.
[5] 张平,刘晋. FPGA与USB技术在纺织品数字印刷机系统中的应用[J].微型机与应用, 2011，30(8):29-32.