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基于FPGA的高解析喷码机控制器设计与实现.pdf

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基于 PCI 总线高解析喷码机的 FPGA 设计与实现 -II- 摘 要 随着可变条码、标识技术的迅速发展和广 泛应用。诸如物流中的货物跟踪、产品防伪防串货每一产品或包装上唯一条码标识技 术,已经得到广泛的应用。传统的条码都采用预印制方式, 而预印制方式已不能满足在每个产品或包装上生成不同的条码。 在原喷码机的基础上, 研发新一代具有喷印可变条码功能的喷码机,成为一种发展趋势。 论文分析了国内外喷码机的发展 现状及其发展趋势, 对不同工作方式的当前主流喷码机作了简单介绍, 重点介绍了连续式和按需式两种不 同工作方式的墨水喷码机,并对其进行性能的优越性对比。选用赛尔( Xaar)公司的两款按需式喷头作为本设计喷码机的喷印头,采用 FPGAField Programmable Gate Array芯片通过 PCIPeripheral Component Interconnect总线方式, 设计并实现驱动两款不同喷头的高解析喷码机。充分利用工业 PCPersonal Computer机的处理能力,在拥有传统喷码机的功能基础上,能适应流水 线作业需求,喷印各种随机和连续变化的条形码。 论文完成了基于 PCI 总线通信,采用 FPGA 芯片实现高解析喷码机控制器的软硬件实现,PCI 总线接口以读写 PCI 总线内部存储器、 I/O 空间方式,来实现 PCPersonal Computer与喷码机控制器之间的数据读写、 状态交换以及喷印控制。利用 FPGA 内部 RAM 作为喷头和 PCI 总线之间数据缓存区,实现 PC 与喷头之间的数据通信,每次读写以喷头喷印 一列的数据量作为数据缓冲区大小,先写然后读取喷印, 将喷印图像信息逐列写入并喷出, 实现二进制二位图形的喷印。文中对喷头驱动以及 PC 与喷头之间喷印数据交换的读写过 程,给出了相应的软件设计流程以及状态转换图。最后给出了 用户利用本控制器所喷印的部分样品。 关键词 喷码机控制器; FPGA; PCI总线; XJ128; XJ500 硕士学位论文 -III- Abstract With the rapid development and wide application of the changeable barcode and the marking technology, for example, the technology of tracking and guarding against illicit transfer of products in the process of transporting and the technology of marking sole barcode in every product or every packet, have been applied widely. The conditional barcode adopted the way of printing in advance, But when we need print different barcode in each product or packet, the way of printing in advance can’t bring it into effect. Investigating a new generation ink jet printer with the function of printing changeable barcode,as be based on the conditional one, has been a evolving tendency. The thesis analyses the developing actuality and evolving tendengcy of ink jet printer in home and aboard, simply introduces main ink jet printer nowadays with different working ways, and puts an emphasis on the two different working ways of ink jet printer, one is continual working way and the other is dropping on demand; and compares their function’s advantages. This design chooses two kinds of print-heads produced in Xaar Company which work in dropping on demand manner,gets FPGAField Programmable Gate Array chip through PCIPeripheral Component Interconnect Bus, designs and drives two kinds of print-heads of the high resolution ink jet printer. This design makes full use of tackling ability of industry PCPersonal Computer, not only has the conditional functions ,but also can meet the demand of assembly line and prints all kinds of random or continuously changeable barcodes. Then the thesis completed the implementation of software and hardware of the high resolution ink jet printer, which is based on the PCI Bus correspondence and adopts FPGA chip. The data’s reading and writing, state changing and printing control between PC Personal Computer and controller, adopting the way of the PCI Bus interface reading and writing PCI Bus inner memory and I/O spare. This design chooses FPGE inner RAM as Data Buffer between print-heads and PCI bus, so it can bring the data correspondence into effect between PC and print-heads. Data Buffer chooses every row data size which is printed by the pint-heads as the size of the Data Buffer every reading and writing, first writs and then reads and pints, reads the ination of printing images line by line and then prints to implemented the printing of bitmap. About the process of driving print-heads and the printing data’s 基于 PCI 总线高解析喷码机的 FPGA 设计与实现 -IV- changing between PC and print-heads, the thesis has given the design ways and procedures of each module relevant ware and the map of state changing. At last the thesis gives some of the samples that users have printed with this controller. Key words Ink Jet Printer Controller, FPGA, PCI Bus, XJ128, XJ500 硕士学位论文 -V- 目 录 第 1 章 绪 论 .......................................................................................................1 1.1 喷码技术 .....................................................................................................1 1.2 喷码机的国内外现状 ...................................................................................2 1.3 喷码技术新的发展方向 ...............................................................................3 1.4 研究现状及本课题主要研究内容 ................................................................4 第 2 章 高解析按需喷印原理 ...............................................................................6 2.1 连续喷墨喷印原理 .......................................................................................6 2.2 按需喷墨喷印原理 .......................................................................................6 2.3 喷印方式性能对比 .......................................................................................7 2.4 按需喷印喷头介绍 .......................................................................................8 2.4.1 XJ128 喷头 .............................................................................................8 2.4.2 XJ128 喷头电气接口 ............................................................................10 2.4.3 XJ128 喷头上电顺序要求 .....................................................................12 2.4.4 XJ128 喷头数据点火触发 .....................................................................13 2.4.5 XJ500 喷头 ...........................................................................................13 2.4.6 XJ500 喷头电气接口 ............................................................................14 2.4.7 XJ500 喷头上电顺序要求 .....................................................................16 2.4.8 XJ500 喷头数据点火触发 .....................................................................17 2.5 本章小结 ...................................................................................................17 第 3 章 喷码机控制器的硬件设计 ......................................................................19 3.1 系统总体硬件设计 .....................................................................................19 3.1.1 喷码机控制器的主处理器选择 ............................................................20 3.1.2 主处理器的数据配置 ...........................................................................21 3.1.3 喷头控制模块设计 ...............................................................................24 3.1.4 其它模块设计 ......................................................................................26 3.2 简化的 PCI 总线接口设计 .........................................................................29 3.2.1 简化的 PCI 总线 ..................................................................................30 3.2.2 PCI 总线配置空间的分配 .....................................................................32 3.3 本章小结 ...................................................................................................34 基于 PCI 总线高解析喷码机的 FPGA 设计与实现 -VI- 第 4 章 系统软件实现 ........................................................................................35 4.1 控制器的 FPGA 内核设计 .........................................................................35 4.1.1 驱动两个 XJ128 喷头的 FPGA 内核设计 .............................................35 4.1.2 驱动一个 XJ500 喷头的 FPGA 内核设计 ..............................................37 4.1.3 XJ128 喷头驱动设计 ............................................................................38 4.1.4 XJ500 喷头驱动设计 ............................................................................41 4.2 PCI 总线的软件实现 ..................................................................................43 4.2.1 简化的 PCI 从设备状态机 ...................................................................43 4.2.2 基于 PCI 总线喷印控制的实现 ............................................................46 4.3 单片机配置 FPGA 软件设计 ......................................................................49 4.4 PC 上位机软件设计 ....................................................................................50 4.5 本章小结 ...................................................................................................54 第 5 章 系统实现与应用 .....................................................................................55 5.1 系统整体实现 .............................................................................................55 5.2 实际喷印效果 ............................................................................................56 5.3 列间距控制测试 .........................................................................................59 5.4 本章小结 ...................................................................................................59 结论与展望 .........................................................................................................61 1.课题研究主要内容和结果 ..............................................................................61 2.课题展望 ......................................................................................................61 参考文献 .............................................................................................................63 附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文 ...............................................................66 附录 B 系统总体硬件设计 .................................................................................67 附录 C PCI 总线接口电路图 ...............................................................................68 附录 D XJ128 喷头 BUFFER 数据控制模块源代码 .............................................69 附录 E XJ500 喷头 BUFFER 数据控制模块源代码 .............................................72 致 谢 ................................................................................................................74 硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 喷码技术 喷码技术起源于二十世纪 60 年代末的美国,经过几十年的发展,已趋于成熟[1]。但随着社会的不断发展,消费者 对产品质量意识越来越强,对产品信息的标注和要求也越来越高,如产品的生产日期、有效期、 批号、防伪条码等,而喷码技术在这些方面得到了充分的应用和发展。 喷码技术应用对象目前主要分为两大类, 一类是产品的包装,主要分布在如食品、饮料、烟酒及医疗等行业[2]。另一类是在产品本身,即在产品上标注其规格型号等, 使其成为产品本身的一部分内容,主要分布在如电线电缆、 建筑材料、鸡蛋外壳、电子产品和商务印刷等行业。 为了适应自动化生产的流水线快速生产要求,连续自动喷印编码技术日益成熟和 得到广泛应用。与传统的打码机、贴标机相比,喷码技术则具有应用方 便、经济实用等优点。 随着消费者对产品的质量意识增强以及政 府相关部门不断出台新的法律法规,对市场进行严格的相关规范和管理, 加上进出口贸易规模的不断扩大,客观上要求国内商品标识及识别技术与国际标准接轨, 同时喷码技术的应用日益广泛和普及,对喷码技术的要求也随之越来越 高。从国际上看,各国法律规定食品行业、 医药和一些精细化工行业的生产商必须 在其产品或外包装商注明 “生产日期”“保质期”和“产品批号”[3]。由于喷码技术的非接触喷印特点,非常适合在各种不同规格的产品外表或本身上进行喷印, 而无需手工操作,自动化程度高,适合自动化流水线的生产方式,因而成为各 行业生产商的首选方式,此外,采用防伪荧光墨水还能为商品喷印防伪标识[4][5]。 现行主流喷码技术分为墨水喷码 机和激光喷码机两大类。 激光喷码技术相对于油墨喷码技术来说是一种更先进的技术 。激光喷码技术近年来的发展非常快,应用范围也越来越广。除了普通信息标注 功能外,激光喷码技术的防伪功能较为显著。它突破了传统墨水喷码技术的规范性和单一 性,创造出一种全新的标记方式,突出了产品的特色和品牌的差异性, 提升了产品在竞争日益激烈的市场中的竞争能力,同时为缩短产品升级换代周期 和柔性生产提供了有力的工具。由于激光和计算机技术的结合,用户只要在计算 机上编程,即可实现激光标记输出。它还可同时在几种材料上或凸凹不规则表面上同时产生清晰的标识 , 具有“一打双标”或“ 骑缝标识”的独特效果 , 不易仿制[6]。激光喷吗机在市场上占有一定的份额,但由于价格昂贵,只能打印单 色,而且激光喷码机打印出的条形码为白色,无法通过条形码识别器识别, 使用对象均有一定的局限,因此在市场上主要的还是油墨喷吗机。 基于 PCI 总线高解析喷码机的 FPGA 设计与实现 -2- 墨水喷码机是喷码技术中应用较多的设备 ,在产品标识中担任了重要的角色。墨水喷码机常用的墨水有快干墨水、环 保型墨水和隐形墨水,其特点是喷印至产品表面后立刻干燥,同时牢牢地附 着在产品表面,不会遗留到其他位置或弄脏物体的表面,可保证每一个喷印标识 的清晰、完整和易分辨,不影响整个生产过程,有效减少故障时间;尤其是环保 型墨水的应用,气味淡雅,污染小,安全可靠,适合卫生标准高的车间或仓库; 隐形墨水只有在紫外线下才可显示墨水标识,主要用于产品防伪[7]。 墨水喷码机按工作方式分,可分为连续式 墨水喷印和按需喷印,连续式墨水喷码机,英文简称 CIJ( continue ink jet)技术,是目前应用最广泛,最普遍,最常见的一种喷码技术[8]。连续式喷码机只有一个喷嘴,工作时连续不断的喷印出墨滴,通过控制墨滴的偏移来形成不同点 阵的字体和图案,喷嘴喷印速度快,但线性喷印速度相对较慢, 而且喷印质量低。 按需喷印喷码机, 英文简称 DOD( drop on demand)技术,又称高解析喷吗机,即相对 CIJ 喷码机来说,属于高分辨率喷码系统。喷头上可多达几十甚至几百个 喷嘴,能喷印出质量高而且分辨率高得多的画面。同时,由于拥有更多的喷嘴以 较低的线性速度喷印比较小的墨滴,从而可以获得更多的覆盖面,因此按需喷码 要比连续喷码更适合于需要更高覆盖面、分辨率以及更高清晰度的喷印效果[9]。 条码,作为一种标识符,在产品 的生产,储运及流通过程中正在起着越来越重要的作用。随着科学技术的发展, 条码的生成方式也是多种多样的,如今我们主要应用的生成方式包括预印制和现场 生成两种。预印制一般采用湿油墨印刷工艺完成, 在大批量印制商品包装时一般采用此种方式, 它具有成本低,数量大,效率高等优势。 但是, 当企业在多品种生产,需要 相对频繁地变换生产的条码时,预印制的方式面临很大的挑战,现场生成 在此种情况下的优势也就体现出来。目前,现场印制条码一般采用图文打印机或 专用条码打印机来印制条码符号,生成后粘贴在产品表面。随着技术的成熟, 多了一些新的选择,通过喷码机直接在产品上喷印条码正逐步成为现实。喷码机在 线喷印条码,可以适应高速的生产线,大大提高工作效率, 避免造成人为性失误, 同时可以保证每件产品编码的唯一性,使条码真正成为零部件或产品的 身份证,可实现单个产品的追溯。 1.2 喷码机的国内外现状 目前,国际上生产的喷码机的 主要品牌和厂商有伟迪捷( Videojet,美国 )、多米诺( Domino,英国)、依玛士( Imaje,法国)、 MARDII(美国)、日立( HITACHI,日本)、澳斯汀( OSTLING,瑞典)等[10]。其中伟迪捷、依玛士、多米诺的系列产品拥有多种高、中、低档系列机型,品质较为稳定,占据了我国喷码机市场的大部分份额。喷码机国产企业正在飞速发展和成熟,主要有科诺华、镭德杰、志恒达等几家,面对成硕士学位论文 -3- 熟的美、英、法等国外企业的产品竞争,国产喷码机只有价格便宜的优势,而且这些国内企业的喷码机大多都是连续式喷墨喷码机。 在喷印方式上,目前市场上占喷墨喷码机市场的 90%是连续式喷墨喷码机,由于其发展较早,技术相对较成熟,已得到市场的广泛接受。但连续式喷码机耗材浪费较大,维护不方便,使得按需喷印方式喷码机近年来在国内外得到充分的重视,正处在高速发展和推广阶段,在按需喷印喷头方面主要以英国 Xaar 公司的喷头为主,主要有 XJ128、XJ500 等多喷嘴按需喷印喷头。 1.3 喷码技术新的发展方向 随着产品信息化管理的不断加强 和企业自我保护意识的不断提高, 喷码已经不仅仅是一种产品的标识,已慢慢成为企 业进行产品质量控制跟踪、加强销售渠道管理、防伪防串货、仓库管理 等业务的一部分。如用于物流上跟踪货单的唯一条码标识、批号标识、电子产品 区域销售管理的条码标识等等。 国家局关于贯彻落实〈国务院 关于加强食品等产品安全监督管理的特别规定〉的实施意见 (国质检质联 [2007]582 号)于 2007 年 9 月 6 日公布施行 [11],进一步加强对食品等产品的安全监督管理 采用可变条码标签进行电子监管, 在食品等产品的表面或包装上喷印可 变条码成为一种发展的必然趋势, 而喷码在可变条码喷印技术上, 国内仍然处于开发阶段, 已有的也只是类似于动态条码喷印机,而没有真正意义上的可变条码喷码机。 因此开发新一代既具有原始喷码机功能又具有可变条码喷印功能的喷码机,能极大 的满足当前喷码市场的需求。不仅仅对是消费者, 同时也是喷码机使用企业甚至整个市场的 有效管理者所不可缺少的一部分。为适应市场的发展需要, 目前喷码功能发展主要表现在 1 防伪功能喷码机喷印随机码或防伪 编码的功能,使每产品或包装上都可以有一个单独的编码或条码, 为客户提供对产品真伪查询后台机构, 直接识别,快速简便。还可将价格、促销等信息喷印 在包装盒上,可以有效控制产品的销售价格,防止市场波动。 2 标识功能优质的喷码可以在各种不 同材质的包装上高速清晰地喷印各种图形、文字、字母、数字等信息, 如生产日期、有效期、产品型号等[12]。对实现对产品基本信息的标识。 3 市场、生产和物流管理在产品包装 和纸箱包装上喷印编号、条形码、发往地等信息,同时连接数据库系统,实现 流向跟综和经销商跨区销售的查询追踪。另外,在仓库或配送中心里, 激光机和喷墨式喷码机又可以喷印时间、专卖区域等信息,连接企业的内部数据库和管 理系统,在出库和入库时完善自动化的物流管理[13][14]。是企业更容易实现对产品生产、仓库、市场流通中实现便利的管理。 基于 PCI 总线高解析喷码机的 FPGA 设计与实现 -4- 4 产品附加值。对消费者而言, 清晰准确的标识是一种认同品牌的标准方法,同时也是长期安全使用的信心标志, 对生产企业而言使用喷码技术可以完善品牌的市场形象和统一标识管理, 起到建立良好的识别形象和美化产品外表的作用。 因此,随着喷码技术在各行个业的广泛应 用,喷码机市场需求的不断旺盛和竞争的进一步加剧, 给喷吗机开发和生产商提供了更 多机遇的同时也面临着新的挑战,各厂商不断推出新技术和 新产品,其发展趋势主要有 1 按需喷印技术目前正在包装印刷行业领域特别是条码标识喷印方面日益成为一种新的技术和应用。 2 产品多样化为满足不同用 户的不同需求,各喷码机生产厂商推出了各种不同市场定位的机型,如一机多喷头型 更适合于一个车间多条流水线生产。 3 人机操作界面越来越简单方便,不少产品采用了大型的液晶显示触摸屏,并采用更为友好的操作界面。 4 功能日益丰富新产品中用户可输入 的字符和图案更加丰富,可保存的用户信息数据更多,而且可选功能也更加丰富。 5 喷嘴的精密加工水平不断提高, 为适合更大覆盖面和分辨率的喷头能充分提高喷印质量,同时隐形墨水和食品包 装的可食墨也得到了广泛使用。 喷码技术以其灵活、效率高、成本 低的优点给企业的发展和人们日常生活水平的提高带来了极大便利,提高了工作效 率,增加了经济效益。现代社会的物质产品琳琅满目,样式别出心裁,与此同时 也给包装印刷行业带来了极大的市场空间。相信,不久的将来,随着喷 码技术的不断发展,应用领域也会随着人们环保意识的不断增强而不断拓广。 1.4 研究现状及本课题主要研究内容 随着可变条码等电子标签的不断推广和应用, 在高速流水线下的连续喷印过程中,高速的条形码数据处理给原有的喷码机提出 了新的挑战,主要瓶颈一方面受限于喷头的喷印线性速度,传统的连续 喷印方式喷出的条型码分辨率低,条形码识别能力低,而目前国内外 90的喷码机都是连续式喷印方式;另一方也是最关键的因素在于面对高速流水线,当喷印条码间隙 每两个条码之间的停顿时间 较小的情况下,目前主流喷码机无法完成条形码数据的快速生成,无法满足市场高速生产线的要求。面对目前市场的需求和目 前市场喷码机的特点,由深圳美安可自动化设备有限公司立项, 课题内容主要为设计一款适合于工业包装行业的喷码机,既与传统喷码机一样能喷印数字 、中英文字符、简单的图像、流水号、固定条码、生产 /有效日期等基本的图形等基本喷码功能,又能满足市场需要, 驱动 XJ128 喷头能在 60 米 /分钟的流水线速度下每分钟喷印 180 个可变条形硕士学位论文 -5- 码, 驱动 XJ500 喷头能在 90 米 /分钟的流水线速度下每分钟喷印 270 个可变条形码的工业喷码机。 本文主要内容包括按需喷印原理的介绍、基于 PCI 总线高速数据通信下喷印过程的方案设计和实现、以及 PCI 总线下喷印控制系统的软硬件的设计和实现。主要章节及其重点内容如下 第一章 绪论,介绍了喷码技术在当今国内外的主要状况,以及在市场的驱动下当前喷码技术面临的新的发展和要求 第二章 高解析按需喷印原理,作为喷码机的核心部分,介绍了按需喷印和连续喷印的工作方式,并对按需喷印喷码 机和连续式喷码机进行性能的对比说明。根据按需喷印的原理选用了当前市场 使用比较广泛的两款按需喷印喷头,对两款喷头作了相应的特征和电气 特性的介绍和说明。 第三章 喷码机控制器的硬件设计,介绍了控制器的硬件基本组成结构,详细介绍了各硬件模块包括喷头驱动、 PCI 总线、外部检测信号、电源等主要硬件模块的实现过程,并列出了关键模块的实现电路。 第四章 系统软件实现,详细介绍了基于 FPGA 可编程逻辑芯片基础上简化的 PCI 总线从设备的软件实现过程、喷头驱动的软件设计、 FPGA 上电配置过程的软件设计以及 PC 上位机的软件界面。 第五章 系统实现,本喷码机系统已设计并成功实现预期设计的要求,现已为深圳超然塑胶制品有限公司提 供了两套喷印设备在使用, 主要给出了现场所喷印的样品,对喷印功能和喷印效 果,以实际喷印样品形式进行说明。 最后对本文设计工作进行了总结,在现所 完成的工作基础上,指出了本系统设计所存在的不足和局限性,并对项目下 一步提出了展望和改进措施。
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