基于FPGA的同步FIFO在大幅面高速彩色噴繪機噴頭數據傳輸中的應用

隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)與研究設計對噴繪產(chǎn)品高速化的需求與日俱增，傳統的數字噴墨式印刷機已經(jīng)不能滿(mǎn)足這種需求。而大幅面高速彩色噴繪機無(wú)論是在數據的傳輸速度還是在打印的質(zhì)量上都超過(guò)了傳統的數字噴墨式印刷機。但是，大幅面高速彩色噴繪機的技術(shù)并不是十分成熟，還有許多的地方可以改進(jìn)。

近年來(lái)，隨著(zhù)微電子設計技術(shù)與工藝的發(fā)展，數字集成電路從電子管、晶體管、中小規模集成電路、超大規模集成電路逐步發(fā)展到今天的專(zhuān)用集成電路(ASIC)。ASIC的出現降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了系統的可靠性，縮小了電路的物理尺寸，推動(dòng)了社會(huì )的數字化進(jìn)程[1]。數字電路設計當中用FPGA來(lái)實(shí)現FIFO的功能可以更好地解決并行性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，而且用FPGA實(shí)現的FIFO更容易修改和測試，可以降低成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 像素數據傳輸定時(shí)分析

像素數據傳輸時(shí)序如圖1所示，像素數據傳輸在CLK的同步下進(jìn)行，每次傳送256×2 bit，使用256個(gè)CLK時(shí)鐘。在傳輸開(kāi)始前和傳輸結束后，CLK應該保持在高電平。每次傳輸完后，等待3個(gè)連續的像素時(shí)鐘(PIXELCLK)，即點(diǎn)火信號，3個(gè)點(diǎn)火信號使存儲在噴頭中的像素數據完成點(diǎn)火輸出。第一個(gè)點(diǎn)火脈沖有數據鎖存的功能，在該脈沖過(guò)后，前次接收的數據完成鎖存，可以開(kāi)始下一次的數據移位輸入工作，盡管此時(shí)上一次輸入的像素數據還沒(méi)有消耗完。因此，可實(shí)現數據傳輸和點(diǎn)火同時(shí)進(jìn)行。在第一個(gè)點(diǎn)火脈沖到來(lái)期間，像素數據和像素時(shí)鐘應該保持不變。


2 像素數據格式

　像素數據分為點(diǎn)火和不點(diǎn)火兩種，點(diǎn)火的(噴出的)像素其數據要求為D2D1D0(D6D5D4)=111，不點(diǎn)火的(不噴出的)像素要求D2D1D0(D6D5D4)=000。因此，實(shí)際傳輸時(shí)可采用兩條信號線(xiàn)，一條負責D2D1D0的像素，另一條負責D6D5D4的像素，而在數據進(jìn)入噴頭之前，將輸入的1信號展開(kāi)成111，0信號展開(kāi)成000即可。這樣可用兩條信號線(xiàn)實(shí)現6條信號線(xiàn)的功能。

每次傳送，一個(gè)噴頭所需要的數據為512 bit，其中，第0和第511 bit必須為0，實(shí)際完成510孔數據的傳送，但是數據傳送使用的是256個(gè)CLK時(shí)鐘，每時(shí)鐘傳送2 bit。分作兩條信號線(xiàn)傳輸，一條是D2D1D0負責256~511孔的數據傳送，D6D5D4負責0~255孔的數據傳送。這就要求有一種電路，先緩沖256~511孔的數據，再將0~255孔的數據與之合并后同時(shí)傳送到噴頭。

如考慮圖像的存儲格式，噴頭應該倒置，即510孔的位置在前，0孔的位置在后，即實(shí)際的像素數據的順序號與噴頭的孔號相反，噴頭的像素數據如表1所示。


3 總體實(shí)現

3.1 噴頭接口模塊

噴頭接口模塊接收來(lái)自于上位機的打印圖像數據，在噴頭數據時(shí)鐘clk的同步下，向噴頭送出噴頭數據。依據運動(dòng)控制模塊傳出的當前位置和自身存儲的打印位置，送出點(diǎn)火信號fire。

由于噴頭要求將0~255噴孔和256~511噴孔的數據同時(shí)送出，因此，噴頭接口應該至少能存儲512個(gè)噴孔的數據，每噴孔1 bit數據，共64 B，32個(gè)半字(16 bit)。為保證實(shí)時(shí)性，這些數據應該通過(guò)緩沖與上位機接口，最好的緩沖就是FIFO。其設計原理圖如圖2所示。


3.2 移位控制器

移位控制器負責從數據緩存FIFO1中讀出數據，并按需要的順序裝入到FIFO2中，在FIFO2裝滿(mǎn)的同時(shí)讀取兩個(gè)數據緩存中的數據并進(jìn)行移位操作?？刂破鬟\轉的另一個(gè)條件是上一個(gè)裝入-點(diǎn)火周期完成，因此必須在檢測到點(diǎn)火信號變?yōu)榈碗娖胶蟛拍苡|發(fā)。其設計ASM圖如圖3所示。


3.3 波形驗證

輸出控制器完成輸出數據的裝載和移位輸出的控制。具體要求是當數據向數據緩存FIFO1裝載已經(jīng)完成并到達點(diǎn)火邊緣時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行256 bit數據的裝載和移位，達到0~511孔同時(shí)裝入數據的目的。然后等待點(diǎn)火信號，當第一個(gè)點(diǎn)火信號過(guò)后，就可重復裝入輸出。其波形驗證如圖4所示。

隨著(zhù)圖像逐步向大格式方向發(fā)展，無(wú)論研究還是生產(chǎn)都對上位機和打印機之間的數據傳輸速度要求越來(lái)越高。因此，不僅要利用FIFO作為緩沖來(lái)解決噴頭和上位機存在的像素數據方向相反的問(wèn)題，而且要利用異步FIFO用不同時(shí)鐘驅動(dòng)讀寫(xiě)的特性，使其自動(dòng)讀取USB芯片內的數據，從而大大提高數據傳輸速度，解決數據傳輸的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。該設計已經(jīng)應用于實(shí)際開(kāi)發(fā)項目中，并使大幅面高速彩色噴繪機的數據傳輸速率和圖像正確性得到了極大的改善。