基于DSP控制的USB接口速印機

１引言 　　

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

２　系統硬件組成 　　

本文設計的速印機的控制系統主要組成部分有：面板控制器（選用８０Ｃ５１單片機）、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、電磁開(kāi)關(guān)、傳感器等。其硬件結構框圖如圖１所示 　　圖１　系統硬件結構框圖 　　

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通過(guò)串口送至ＤＳＰ（數字信號處理器），ＤＳＰ通過(guò)中斷響應制版信號，并啟動(dòng)掃描電機和ＤＳＰ片上的ＡＤＣ模塊，同時(shí)ＤＳＰ通過(guò)握手信號告知ＦＰＧＡ（可編程邏輯門(mén)陣列）啟動(dòng)ＣＩＳ。ＦＰＧＡ產(chǎn)生ＣＩＳ的時(shí)鐘信號ＣＬＫ、選通輸入信號ＳＩ及各色光源選通信號，并通過(guò)這幾個(gè)信號產(chǎn)生的相應時(shí)序控制ＣＩＳ通過(guò)模擬信號輸出引腳ＳＩＧ向ＡＤＣ模塊串行移位輸出對應像素的灰度。ＤＳＰ把掃描到的圖像數據通過(guò)γ補償、濾波、二值化、數字半色調圖像處理后，把數據存放在ＳＤＲＡＭ存儲器中，并通過(guò)握手信號通知ＦＰＧＡ從ＳＤＲＡＭ存儲器中提取光柵數據并控制熱敏打印頭將其燒寫(xiě)在版紙（也稱(chēng)蠟紙）上，制版結束。

印刷工作流程為：印刷按鍵按下后，版紙牽引電機和壓版電機配合將版紙掛到滾筒上，此時(shí)油墨電機工作均勻上墨，待進(jìn)紙電機把紙送到印刷區后，壓紙電機把紙貼到滾筒上，主電機帶動(dòng)滾筒轉一圈后，分離電機開(kāi)始工作將紙從滾筒上剝離?！〈垙堖M(jìn)入出紙區后，出紙電機和負壓風(fēng)機同時(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：電腦主機通過(guò)ＵＳＢ芯片把數據傳給ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ通過(guò)產(chǎn)生相應的時(shí)序信號將數據存至ＳＤＲＡＭ存儲器中，然后ＦＰＧＡ按行將數據燒寫(xiě)至版紙上。制版完成后，ＦＰＧＡ通過(guò)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的電機控制 　　

ＴＩ公司的數字信號處理器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，專(zhuān)為多軸運動(dòng)控制應用而設計。［１］　在本系統中兩個(gè)事件管理器分別應用于控制三相無(wú)刷直流電機（主電機）和三相反應式步進(jìn)電機（掃描電機）。

對三相無(wú)刷直流電機的控制采用了轉速電流雙閉環(huán)調速方式。其控制系統框圖如圖２ 　　圖２　轉速電流雙閉環(huán)調速原理框圖 　　

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的捕捉單元可以方便的捕捉編碼器的脈沖信號，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轉換為數字值，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制）的操作大大簡(jiǎn)化。雙閉環(huán)調速方式提高了主電機（三相無(wú)刷直流電機）的控制精度。

步進(jìn)電機具有如下特點(diǎn)：

（１）角位移與輸入脈沖數成正比，無(wú)累積誤差，具有良好的跟隨性。

（２）動(dòng)態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。

（３）速度可在寬范圍內平滑調節，低速下仍能獲得大轉矩。

（４）步進(jìn)電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統和機械負載采取相應措施。三相反應式步進(jìn)電機有三種工作方式：?jiǎn)稳?、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)通電順序為ＡＢ－ＢＣ－ＣＡ；六拍循環(huán)通電順序為Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ（上述三種循環(huán)通電順序均為正轉方式）。［２］　三種工作方式中六拍工作方式相電流、轉矩最大，高頻性能最好，電磁阻尼大，不易產(chǎn)生振蕩。所以本系統采用三相六拍工作方式控制步進(jìn)電機。另外為了使步進(jìn)電機更加穩定還使用了機械阻尼法，就是在電動(dòng)機軸上加阻尼器。

５圖像處理 　　

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

模擬圖像數字化是由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２片上集成的ＡＤＣ模塊實(shí)現的。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的ＡＤＣ模塊是一個(gè)１６通道１２位分辨率具有流水線(xiàn)結構的模數轉換器。它的１６個(gè)通道可配置為兩個(gè)獨立的８通道，最快轉換時(shí)間為８０ｎｓ。從ＣＩＳ中輸出的模擬圖像的電流經(jīng)過(guò)ＡＤＣ模塊采樣，其數字值存放在對應通道的結果寄存器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(xiàn)性的，即入射光強度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。對這種非線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行校正，使其成為正比關(guān)系的 　　操作稱(chēng)為γ校正?？勺鲆粋€(gè)具有平均特性的速查表來(lái)進(jìn)行γ校正。［３］ 　　圖像中的邊緣和噪聲對應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(guò)渡比較光滑，所以不易出現振鈴現象。由于圖像邊緣部分也對應于傅里葉變換中的高頻部分，過(guò)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)，也可再對圖像進(jìn)行適當的銳化清晰處理。

圖像的二值化就是將灰度圖像變?yōu)橹挥袃蓚€(gè)灰度級的圖像。其過(guò)程非常簡(jiǎn)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只取一個(gè)閾值來(lái)對圖像進(jìn)行二值化處理的方法稱(chēng)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。本系統中采用最大方差比法計算閾值。

數字半色調處理過(guò)程就是創(chuàng )建復合點(diǎn)（也稱(chēng)半色調單元）的過(guò)程。復合點(diǎn)（ｓｐｏｔ）是由打印機點(diǎn)（ｄｏｔ）組成的方塊網(wǎng)格，這些網(wǎng)格中的任何一個(gè)打印機點(diǎn)都是可以打開(kāi)或關(guān)閉的（白色或黑色）。若要創(chuàng )建一個(gè)深色復合點(diǎn)，可以將該復合點(diǎn)內的打印機點(diǎn)多打開(kāi)一些；若要創(chuàng )建一個(gè)淺色復合點(diǎn)，可以少打開(kāi)一些打印機點(diǎn)。人眼具有低通特性，能將復合點(diǎn)看成具有灰度的點(diǎn)。［４］　這些復合點(diǎn)具有３個(gè)屬性：頻率、角度和形狀。本系統使用分辨率為４００ｄｐｉ＊４００ｄｐｉ的打印機。網(wǎng)點(diǎn)頻率為５０ｌｐｉ（ｌｉｎｅｓ?。穑澹颉。椋睿悖瑁?，灰度色階數為６５，采用４５度方塊形網(wǎng)格。使用數字半色調處理技術(shù)，可以在二值輸出設備上輸出漂亮的灰度（連續色調）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?。停猓?，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４８０?。停猓?，特別適合像速印機這樣的需要大批量傳輸數據的設備。本速印機選用ＵＳＢ２．０全／高速接口作為與電腦主機的接口。

ＵＳＢ功能設備芯片選用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?。耍隆。疲桑疲洗鎯ζ骷埃眰€(gè)通用可編程接口（ＧＰＩＦ）。它支持高速模式，兼容全速模式，性?xún)r(jià)比高，是ＵＳＢ２．０接口設計的主流芯片之一。［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，以適應各種設備的需要。在開(kāi)發(fā)ＵＳＢ設備時(shí)可通過(guò)設置相應寄存器使端點(diǎn)處于不同的工作方式?？刂苽鬏斨饕脕?lái)進(jìn)行查詢(xún)、配置端點(diǎn)和給設備發(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)間嚴格并具有較強容錯性的流數據傳輸，或者用于要求恒定的數據傳送率的即時(shí)應用中。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機周期性的輪詢(xún)設備是否有數據要傳送的一種方式，該方式應用于少量的、分散的、不可預測的數據傳輸，比如鍵盤(pán)、鼠標、搖桿等。批量傳輸方式主要應用于無(wú)帶寬和間隔時(shí)間要求的大量數據的傳送和接收，打印機、掃描儀和ＵＳＢ硬盤(pán)等就屬于這種類(lèi)型。在速印機系統中，ＵＳＢ芯片“大”端點(diǎn)２、４、６、８均配置為雙倍緩沖區批量傳輸方式。

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ＦＸ２的多層緩沖ＦＩＦＯ直接進(jìn)行讀寫(xiě)。ＧＰＩＦ主控器模式下，可以編程讀寫(xiě)控制波形，幾乎可以對任何８／１６　位接口的控制器、存儲器和總線(xiàn)進(jìn)行數據的主動(dòng)讀寫(xiě)，非常靈活。ＣＹ７Ｃ６８０１３雖然可以用片上增強型８０５１單片機直接處理ＵＳＢ２．０數據，但這樣會(huì )受到單片機速度的限制而無(wú)法實(shí)現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數據流并不經(jīng)過(guò)ＣＹ７Ｃ６８０１３的片上增強型８０５１單片機，而是直接在快速外部主設備與ＦＩＦＯ端點(diǎn)之間實(shí)現高速傳輸。

ＵＳＢ的軟件設計包括：固件程序、驅動(dòng)程序和應用程序的設計。

（１）固件程序設計 　　

固件程序由ＵＳＢ芯片集成的增強型８０５１單片機來(lái)處理，其主要工作是解析并執行主機的命令。ＦＸ２的一個(gè)重要特性就是以“軟”為主，內部無(wú)ＲＯＭ，僅有程序和數據ＲＡＭ，所以需要通過(guò)主機將固件程序下載至ＲＡＭ中運行。ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了ＥＺ－ＵＳＢ?。疲兀补碳绦蚩蚣芤约铀俟碳绦虻拈_(kāi)發(fā)?！。郏叮?　　

（２）驅動(dòng)程序設計 　　

本系統需要兩個(gè)驅動(dòng)程序，即固件下載驅動(dòng)程序和設備功能驅動(dòng)程序。固件下載驅動(dòng)程序負責在外部設備連接到ＵＳＢ總線(xiàn)后把特定的固件程序下載到ＦＸ２的ＲＡＭ中，ＦＸ２模擬斷開(kāi)與ＵＳＢ總線(xiàn)的連接以完成對固件的重新設置，并使用新的固件程序進(jìn)行重枚舉。主機則根據新的設置來(lái)安裝設備功能驅動(dòng)程序。設備功能驅動(dòng)程序不必對具體硬件編程，它只需定義與應用程序的接口，定義與外部設備的通信接口和通信數據格式。應用程序調用設備功能驅動(dòng)程序，設備功能驅動(dòng)程序調用總線(xiàn)驅動(dòng)程序把ＵＳＢ命令傳給硬件。ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了固件下載驅動(dòng)程序范例，只需作少量修改即可作為本系統的固件下載驅動(dòng)程序。為加速設備功能驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，ＣＹＰＲＥＳＳ公司提供了ＥＺ－ＵＳＢ通用設備驅動(dòng)程序規范。此規范的目的是描述從用戶(hù)應用程序到設備驅動(dòng)程序的接口方式。

（３）應用程序設計。

本速印機的應用程序使用了Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統提供的標準打印機應用程序插件。

７　結束語(yǔ) 　　

本文提出了一種基于ＤＳＰ和ＵＳＢ接口的速印機解決方案，并從電機控制、圖像處理和通訊接口三方面做了詳細的闡述。經(jīng)測試，本系統打印品質(zhì)良好，印速可達１２０ｒ／ｍｉｎ，并可實(shí)現電腦直接打印，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(jiǎn)化，整體性能有所提高，圖像處理技術(shù)的升級更加方便，是一種優(yōu)化的解決方案。展望：可在此方案基礎上再增加掃描儀功能，使其功能更加強大。