摘 要： 選取Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208芯片作為新型高速數字噴墨印刷機控制系統的開發平臺，以μC/OS-II作為印刷機控制的實時系統，通過Nios II 11.0 Eclipse，運用Nios II軟核處理器技術來生成μC/OS II實時操作系統模塊，通過系統編程來實現新型數字噴墨印刷機控制系統。通過軟硬件測試，驗證了該系統的穩定性和可操作性。
關鍵詞： 噴繪機；FPGA；Nios II；狀態機；控制系統
隨著我國經濟的快速增長，加速了我國印刷業的發展。由于數字噴墨印刷發展平緩，尤其是價格上卻比傳統的噴墨印刷機高出很多，導致傳統的噴墨印刷機仍然占據相當大的市場。針對上述情況，對于新型數字噴墨印刷機的研究是十分必要的。
1 系統硬件設計
在設計中，采用Altera公司的Cyclone II系列[1]芯片EP2C8Q208為核心芯片，結合Nios II軟核來產生系統處理器，并利用可編程電路導出外圍電路。設計中采用SoPC Builder[2]來構建。這里選用μC/OS-II系統來調度整個任務，因為μC/OS-II是源代碼完全開源的，具有可剝奪實時內核，同時其執行效率高，占用的空間小，系統中僅僅包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間通信以及同步機制等功能。
如圖1所示，設計中以FPGA為核心，協同Nios II[3-4]軟核工作。首先通過CY7C68013的USB芯片，從上位機上或者SD卡中獲取待噴印的文件內容，并實時下發。通過NiosII軟核的控制與處理，輸送到數據傳輸/變換模塊中，通過同步模塊來實現文件內容的實時傳輸以及針對文件的內容，調整運動控制中的運動噴繪位置，來精確地實現運動控制，同時獲得反饋狀態信息以及同步輸送控制命令。在此期間，噴繪機的機械參數存放在24C02的存儲芯片中。通過LCD接口，結合GUI的界面以及按鍵接口，實現人機交互，在項目實現中，通過JTAG口以及UART串口進行調試。
Nios II軟核是由中央處理單元、配套組件以及外圍設備所組成的，并通過Avalon總線連接構成的處理器系統。這里通過Altera的SoPC Builder軟件來配置Nios II CPU，并利用自動形成的Avalon總線將這些模塊連接在一起。這里采用的RISC架構，同時根據實際的板級時鐘設置為50 MHz，設置了相應的地址信息。
2 系統軟件設計
2.1 總體任務框架
在整個軟件架構中，由于存在低速設備與高速設備的不匹配問題，所以需要嚴格劃分各個任務。在主控的調度下，首先通過高速輸入ISR獲得高速數據，經過處理后，由高速數據輸出通道輸出，并實時噴印。針對命令以及一些機械參數、狀態等低速數據，則通過低速數據輸入ISR的通道進入，并進行相應的處理。當進行離線文件噴印時，則可直接對SD卡操作，SD是通過SPI總線來與主控之間通信。必要時，一部分的參數也可以存放在EEPROM，這部分主要通過IIC來與主控通信，存放的內容則用于校準機器。另外通過LCD上的GUI，配合KEY來實現實時的人機交互。具體過程如圖2所示。
2.2 ISR任務間通信機制的設計
本設計中，通過以μC/OS-II系統為平臺，在其之上運行諸多任務，根據任務的特性，不同任務之間也采用不同的通信機制。ISR任務間通信機制的設計如圖3所示。
（1）按鍵消抖任務通過KEY_ISR的全局變量來識別出上報的鍵值，同時轉換成相應的命令，通過μC/OS-II的郵箱通信機制KEY_BOX傳送給主控任務。
（2）低速設備輸入的任務通過低速數據ISR的全局變量來控制，經過USB傳輸進來的數據同樣通過μC/OS-II的郵箱通信機制KEY_BOX，實現和主控任務的通信。
（3）EEPROM的讀寫是通過IIC的協議來操作的。首先會收到主控的EEP_REQ_BOX郵箱消息，通過這條請求中包含讀寫控制字，主控開始實現對EEPROM的讀寫，當主控讀寫完畢時，則通過EEP_ACK_BOX的郵箱消息通知其讀寫完畢，完全根據IIC的協議來進行操作。類似的方式也適用于SD的讀寫中。
（4）低速設備由于是CPU來控制的，所以這里則只需要CPU關注速度匹配問題即可。
（5）高速數據的傳輸根據方向分為輸入與輸出，在輸入上，由于是CPU來控制的，所以直接采用DMA的方式，通過一個DMA_TC的事件即可。而對于輸出而言，底層需要有塊設備的驅動支持，之后直接通過DMA的控制器向主控發送DMA_TC_SEM來實現傳輸，傳輸中的同步問題，則采用SY_O_SEM以及SY_I_SEM來完成。
3 系統總控狀態機[5]
系統的總體狀態圖如圖4所示，是系統在不同時刻的狀態切換過程。通過箭頭的走向，以及箭頭上方相應的條件，來切換狀態機的狀態。剛開始上電時，系統的主窗口狀態為00000，之后可以選用打印的方式，通過人機交互的方式，進而切換到不同的狀態，從而靈活地調度與切換各個狀態。
本文針對噴墨印刷機的控制系統做了很大的改進，提高了打印的速度以及精度，線條也更加圓滑，曲線的鋸齒也有很大的提高，并能滿足大幅面的噴墨需求。但是還存在一定的問題，例如縱向馬達在速度控制上還不是很平穩。傳輸速度上，USB2.0的速度還是比較慢，急切需要USB3.0的合入來解決大數據傳輸問題。噴墨的溫壓曲線部分還有待提高，從而確保圖像的美感度。總之，該控制系統具有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 崔桂梅，崔巍，龐海靜，等.基于SoPC的硬件直線插補控制器設計[J].微特電機，2011，39（5）：56-57.
[2] 劉延飛.基于Alter FPGA/CPLD的電子系統設計及工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[3] 周潤景.基于Quartus II的FPGA/CPLD數字系統設計實例[M].北京：電子工業出版社，2007.
[4] 孟芳，于立佳.基于Nios II的SOPC系統設計分析[J].無線電通信技術，2012，28（1）：73-76.
[5] 李春霞.有限狀態機的VHDL描述及綜合[J].計算機工程與應用，2005（6）：111-113.
[6] 徐藝文，魏云龍.利用μC/OS任務調度算法實現嵌入式數據管理[J].單片機與嵌入式系統，2011（5）：25-27.