基于FPGA的喷墨打印机控制系统

基于FPGA的喷墨打印机控制系统

发表时间：2016-04-29T16:05:40.400Z 来源：《电力设备》2015年第11期供稿作者：陈广接

[导读] 皇剑数码科技（上海）有限公司本文重点分析了FPGA的喷墨打印机控制系统的设计要点，希望能够对读者提供一些借鉴和参考。（皇剑数码科技（上海）有限公司上海 201705）

摘要：本文重点分析了FPGA的喷墨打印机控制系统的设计要点，希望能够对读者提供一些借鉴和参考。

关键词：FPGA；喷墨打印机系统；原理；设计

一、前言

喷墨打印技术相比于传统的打印技术，从体积上、可操作性方面、控制噪音方面都有了很大的突破，是一项具有发展前景的打印技术。

二、喷墨印刷技术的原理

喷墨印刷控制墨滴沉积，将微小的墨滴喷射到承印材料上，通过密度与颜色的变化，最后成像，形成印刷制品。喷墨印刷技术是以设定的速度喷射油墨到承印物上，喷嘴的直径为 40um 左右，油墨与承印物相互作用，形成稳定的图像。而成像的质量与多个方面的因素是相关的，如干燥速度、分辨率、印刷密度等，要求油墨中的溶剂可以快速的渗透进承印物，油墨中的燃料能迅速的固定在承印物的表面。为了确保良好的成像质量，一般的喷墨印刷系统都必须使用专配的承印材料和油墨。由于喷墨印刷技术成像的速度快，墨滴每秒产生的速度范围非常广，可以从几千滴到几十万滴的范围变化，但是其打印的质量还取决于扫描的机构。如采用独立喷头往返动作成像的速度慢，但在大幅面成像中的应用非常广泛。论文研究的喷墨印刷技术的原理主要有两种，分别是连续式喷墨和间歇式喷墨，以下做简要的分析。

1、连续式喷墨原理

顾名思义，连续式喷墨就是在印刷过程中，持续性的喷射墨滴，然后分流，在承印物上显示出相应的图像，而非图文部分则在喷墨时喷射方向偏转。在压力的作用下，液体油墨由喷嘴喷出，产生连续性的墨流，墨流会被分流，成为若干个单元墨滴，墨滴上有静电，附着于承印物上，显示出相应的图像信息。系统主机控制器接受原稿信息，然后主机控制喷墨和承印驱动器。喷墨控制器将连续性的墨流分离成单元式的墨滴，由于喷嘴处设置了充电电极，能够感应墨滴，使单个墨滴根据图文信息变化带有静电，墨滴在偏转电极的作用下，高速冲击承印物成像。

2、间歇式喷墨印刷原理

间歇式喷墨印刷也称为随机喷墨或按需喷墨，墨滴从喷嘴喷出，根据图文信号迅速冲击承印物，墨滴在有需要时附着在承印物上，间歇式喷墨主要有两种技术，分别是压电式和热喷式，以下做简要的分析。

（1）压电喷墨技术：压电式喷墨技术是通过晶体振动作用形成墨滴，压电晶体有脉冲作用，给油墨施加了压力，形成了墨滴，墨滴的冲击速度快，由于墨滴上没有施加静电，可以直接冲击承印物，形成图像。图文信号可以控制压电晶体的振动作用，从而控制喷嘴挤压墨滴，然后成像。

（2）热喷墨技术：热喷墨技术在间歇式喷墨技术中应用最为常见，油墨受到热脉冲的作用，形成墨滴。墨水腔中有加热装置，打印头的油墨经过加热由喷孔喷出，受图文信号的电流作用，油墨受热直接形成气泡，由喷嘴喷出，直接作用于承印物成像。一次喷射完成之后，加热装置停止工作，冷却后油墨由恢复为液态，墨水腔重新储存油墨，达到重复利用的效果。

三、喷墨打印控制系统设计

系统总体框图如图 1 所示，主要包括 SDRAM 模块、RJ45 网口通信模块、FPGA 核心模块、墨滴观测闪频灯驱动模块、RS485 通信模块、SPI 通信模块、模数转换模块、供墨系统与开关量控制模块。

1、SDRAM 模块

SDRAM 模块的主要功能是通过 FPGA 读写 MT48LC32M16A2 芯片来缓存和校验待打印图片数据。 SDRAM 需要正确的上电逻辑和模式设置来进入期望的工作模式。访问特定的逻辑单元必须先激活相应的存储块，并锁定对应的行列地址。另外，必须有定时的刷新逻辑保持数据不丢失，SDRAM有多种操作模式，由引脚CS＃、RAS＃、CAS ＃、WE ＃和地址信号的不同状态来决定，SDRAM 控制器必须为 SDRAM 提供满足时序要求的这些控制信号，以准确地控制 SDRAM 的各种不同操作。

2、RJ45 网口通信模块

RJ45 网口通信模块采用W5100作为控制芯片，主要功能是传输脉冲波形数据、二通电磁阀控制指令、打印相关参数、待打印图像数据等信息。设计中采用 TCP/IP 协议，并设置本地 IP 地址为192.168.3.114，设置接收存储器配置寄存器 RMSR 为 0x55，发送存储器配置寄存器TMSR为0x55，即W5100一次最多可接收或发送2KB数据；具体调试中发现网口的25MHz 晶振不起振，原因有：网口芯片

W5100 虚焊或焊接短路；晶振两端 22pF 电容短路、断路、不等容等。排除故障后，即可顺利实现 RJ45网口通信。

3、FPGA 核心模块

采用 Altera 公司的 Cyclone III 系列芯片EP3C16Q240C8N、锁相环电源电路、FLASH 配置电路、复位电路和有源晶体振荡电路等控制 FPGA 核心模块。FPGA 模块的主要是作为整体系统的控制核心，具有控制模块间通信、实现模块的数据处理和精确的时序控制等功能。具体如下：

（1）将输入FPGA的50MHz时钟做相应的分频倍频处理，得到各模块所需的工作时钟；

（2）通过与网口通信模块的交互准确传输打印相关参数、状态和打印图像数据；

（3）读写 SDRAM 模块准确缓存和校验打印图像数据；

（4）控制墨滴观测闪频灯的曝光电流和频率，配以观测摄像头实现墨点的精确测量和分析；

（5）与 RS485 通信模块交互实现脉冲波形数据的准确传输；

（6）控制 SPI 通信模块，产生喷头所需的全部控制时序；

（7）与供墨系统模块的交互，实现墨水的全自动供给；

（8）与模数转换模块交互，实现气路压力、墨水温度等

模拟量的数字化，并通过网口模块上传 PC 机实时显示。

4、墨滴观测闪频灯驱动模块

墨滴观测闪频灯驱动模块主要是产生与墨滴飞行速度相一致的闪频灯信号，通过观测摄像头，实现视觉上的静态墨滴控制。再调节相应的脉冲波形参数，即可调整静态墨滴的速度和体积，最终达到最佳的喷射效果。

5、RS485 通信模块

RS485 通信模块电路的控制芯片是差分总线收发器75176B。它主要是通过与 FPGA 模块的 485 通信传输喷头所需的脉冲波形数据和脉冲触发信号。

6、SPI 通信模块

SPI 通信模块主要是通过 Quartus II 平台下编写Verilog HDL 程序来实现的，利用 SPI 通信模块，并改变相应的喷头驱动电路，即可实现驱动不同厂商喷头的目的。

7、模数转换模块

模数转换模块采用 500ksps 的吞吐量、8 通道软件可选的真双极性输入、12 位（带符号位）A/D 转换器芯片AD7327 来实现对气路压力、喷头温度的模数转换，并由FPGA 处理转换成的数字量，通过网口模块上传至 PC 机，进行实现实时监控和调节气路压力和喷头温度的功能。

8、供墨系统和开关量控制模块

供墨系统和开关量控制模块采用光耦 TLP124 和 N 沟道晶体管 NTD3055L104 对供墨系统和开关量模块进行控制。一旦上位机发送供墨指令，墨路系统即会根据液位的高低判断是否供墨——墨盒中墨水未满时供墨，否则停止供墨。上位机亦可发送总气阀、平台阀、废墨阀控制指令来实现对总气阀开关、平台是否吸附基材、是否抽废墨等开关量的控制，实现的开关速度达 us 级，远超机械开关的响应速度。

四、结束语

综上所述，随着打印技术的深入发展，技术水平也将更加先进，喷墨打印技术也将在发展中快速进步，发挥更大的作用，该项技术也将具有广阔的市场前景。

参考文献

[1] 胡校兵等 . 陶瓷数字喷墨打印机用喷头现状及应用展望 [J].陶瓷学报，2014，35（5）：5-9.

[2]庞淑娟，倪受东.基于FPGA的步进电机速度控制器的设计[J].新技术新工艺，2014,36（4）：32⁃33.