摘 要：选取Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208芯片作为新型高速数字喷墨印刷机控制系统的开发平台，以μC/OS-II作为印刷机控制的实时系统，通过Nios II11.0 Eclipse，运用Nios II软核处理器技术来生成μC/OS II实时操作系统模块，通过系统编程来实现新型数字喷墨印刷机控制系统。通过软硬件测试，验证了该系统的稳定性和可操作性。
关键词：喷绘机；FPGA；Nios II；状态机；控制系统

　随着我国经济的快速增长，加速了我国印刷业的发展。由于数字喷墨印刷发展平缓，尤其是价格上却比传统的喷墨印刷机高出很多，导致传统的喷墨印刷机仍然占据相当大的市场。针对上述情况，对于新型数字喷墨印刷机的研究是十分必要的。
1 系统硬件设计
　在设计中，采用Altera公司的Cyclone II系列[1]芯片EP2C8Q208为核心芯片，结合Nios II软核来产生系统处理器，并利用可编程电路导出外围电路。设计中采用SoPC Builder[2]来构建。这里选用μC/OS-II系统来调度整个任务，因为μC/OS-II是源代码完全开源的，具有可剥夺实时内核，同时其执行效率高，占用的空间小，系统中仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信以及同步机制等功能。
　如图1所示，设计中以FPGA为核心，协同Nios II[3-4]软核工作。首先通过CY7C68013的USB芯片，从上位机上或者SD卡中获取待喷印的文件内容，并实时下发。通过NiosII软核的控制与处理，输送到数据传输/变换模块中，通过同步模块来实现文件内容的实时传输以及针对文件的内容，调整运动控制中的运动喷绘位置，来精确地实现运动控制，同时获得反馈状态信息以及同步输送控制命令。在此期间，喷绘机的机械参数存放在24C02的存储芯片中。通过LCD接口，结合GUI的界面以及按键接口，实现人机交互，在项目实现中，通过JTAG口以及UART串口进行调试。

　Nios II软核是由中央处理单元、配套组件以及外围设备所组成的，并通过Avalon总线连接构成的处理器系统。这里通过Altera的SoPC Builder软件来配置Nios II CPU，并利用自动形成的Avalon总线将这些模块连接在一起。这里采用的RISC架构，同时根据实际的板级时钟设置为50 MHz，设置了相应的地址信息。
2 系统软件设计
2.1 总体任务框架
　在整个软件架构中，由于存在低速设备与高速设备的不匹配问题，所以需要严格划分各个任务。在主控的调度下，首先通过高速输入ISR获得高速数据，经过处理后，由高速数据输出通道输出，并实时喷印。针对命令以及一些机械参数、状态等低速数据，则通过低速数据输入ISR的通道进入，并进行相应的处理。当进行离线文件喷印时，则可直接对SD卡操作，SD是通过SPI总线来与主控之间通信。必要时，一部分的参数也可以存放在EEPROM，这部分主要通过IIC来与主控通信，存放的内容则用于校准机器。另外通过LCD上的GUI，配合KEY来实现实时的人机交互。具体过程如图2所示。

2.2 ISR任务间通信机制的设计
　本设计中，通过以μC/OS-II系统为平台，在其之上运行诸多任务，根据任务的特性，不同任务之间也采用不同的通信机制。ISR任务间通信机制的设计如图3所示。

　（1）按键消抖任务通过KEY_ISR的全局变量来识别出上报的键值，同时转换成相应的命令，通过μC/OS-II的邮箱通信机制KEY_BOX传送给主控任务。
　（2）低速设备输入的任务通过低速数据ISR的全局变量来控制，经过USB传输进来的数据同样通过μC/OS-II的邮箱通信机制KEY_BOX，实现和主控任务的通信。
　（3）EEPROM的读写是通过IIC的协议来操作的。首先会收到主控的EEP_REQ_BOX邮箱消息，通过这条请求中包含读写控制字，主控开始实现对EEPROM的读写，当主控读写完毕时，则通过EEP_ACK_BOX的邮箱消息通知其读写完毕，完全根据IIC的协议来进行操作。类似的方式也适用于SD的读写中。
　（4）低速设备由于是CPU来控制的，所以这里则只需要CPU关注速度匹配问题即可。
　（5）高速数据的传输根据方向分为输入与输出，在输入上，由于是CPU来控制的，所以直接采用DMA的方式，通过一个DMA_TC的事件即可。而对于输出而言，底层需要有块设备的驱动支持，之后直接通过DMA的控制器向主控发送DMA_TC_SEM来实现传输，传输中的同步问题，则采用SY_O_SEM以及SY_I_SEM来完成。
3 系统总控状态机[5]
　系统的总体状态图如图4所示，是系统在不同时刻的状态切换过程。通过箭头的走向，以及箭头上方相应的条件，来切换状态机的状态。刚开始上电时，系统的主窗口状态为00000，之后可以选用打印的方式，通过人机交互的方式，进而切换到不同的状态，从而灵活地调度与切换各个状态。

　本文针对喷墨印刷机的控制系统做了很大的改进，提高了打印的速度以及精度，线条也更加圆滑，曲线的锯齿也有很大的提高，并能满足大幅面的喷墨需求。但是还存在一定的问题，例如纵向马达在速度控制上还不是很平稳。传输速度上，USB2.0的速度还是比较慢，急切需要USB3.0的合入来解决大数据传输问题。喷墨的温压曲线部分还有待提高，从而确保图像的美感度。总之，该控制系统具有很好的应用前景。
参考文献
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