高解析噴碼機嵌入式系統的設計與實現

王宏文 王藝伶 高維國

(河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130)

0 引言

隨著消費者對產品的質量意識日益增強，政府相關部門不斷出臺新的法律法規對市場進行嚴格的規范和管理，加上進出口貿易規模的不斷擴大，客觀要求國內商品標示及識別技術與國際標準接軌。噴碼機以其非觸噴印的特點，非常適合在各種不同規格的產品本身或外表進行噴印，它適合自動化流水線的生產方式，使其成為各行業生產商的首選方式［1］。噴碼機系統的發展正是嵌入式系統發展的典型代表。

針對早期高解析噴碼機系統體積大、效率低、速度慢等缺點，本文開發出基于WinCE+ARM9的嵌入式系統。WinCE操作系統環境下的應用程序可直接進行數據處理，驅動程序傳輸數據，提供噴頭所需信號。該程序完善精簡了整個噴碼機系統，提高了噴碼效率，具備小型便攜、通用性強、機動性高、可靠性好等特點;且光電編碼器能夠實現對傳送帶速度及方向的檢測，實現了實時測控。

1 噴碼機系統的硬件設計

按工作方式劃分，噴碼機可分為連續式噴印和按需噴印。但是連續式噴印廢墨，質量較低，所以選擇按需噴印的高解析噴碼機［2］。高解析噴碼機為無壓力驅動工作，其通過墨水自身的重力自行噴出，噴印的字體類似于打印機，解析度高，字體清晰［3］。

1.1 工作原理

高解析噴碼機的噴印頭由一系列緊密排列的細小噴嘴組成，油墨從噴嘴中噴出，可以噴出噴嘴寬度的二進制二位圖形。所以噴頭每次所需的數據是可以噴印一列的數據，而位圖數據信息是按照左下角到右上角的順序排列的，所以在把位圖轉換成二進制位圖后，需要旋轉圖形數據信息，才能夠讀出位圖一列的數據。處理后位圖的高低位的放置與噴頭的串行接收數據方式相關，噴頭在接收128 bit數據時，高位在前，所以在提取圖像點陣數據時應把低位放在前面［4］。

1.2 系統硬件設計

賽爾(Xaar)公司的按需噴墨技術目前在包裝印刷領域特別是條碼標識噴印方面，日益成為一種主流技術。

噴印頭技術也在迅速改進，更大的噴印頭被研制出來，以適應更大的覆蓋面，并具有更高的分辨率和更多的墨滴大小變化，以達到更好的噴印效果。系統采用的噴頭型號是賽爾XJ128噴頭。

1.2.1 總體硬件設計

噴碼機系統采用天嵌TQ2440開發板。底板上必須包括的電路有:33 V供電電路、復位電路、Jtag電路和Nor/Nand啟動選擇電路，否則可能導致開發板不能正常啟動。

處理器選用三星公司生產的具有ARM9內核的S3C2440，LCD選用天嵌14.33 cm觸摸屏作為操作界面，開發板和噴頭之間使用串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)總線通信，主要用于將應用程序處理好的數據傳輸給噴頭。噴頭可以接收并噴印該數據，光電傳感器用于檢測傳輸帶的速度和方向并反饋給處理器，定時器向噴頭發送時鐘信號。根據應用的需要，本系統采用了3種存儲器:①NOR Flash，用于存放系統引導程序等;②NAND Flash，作為程序存儲器，存放WinCE操作系統和應用軟件等;③SDRAM，用作系統的內存。

系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 Block diagram of the system hardware structure

1.2.2 SPI總線接口原理與協議

S3C2440A的SPI接口為串行數據傳輸接口。S3C2440A包括兩個SPI接口，每個接口分別有兩個8位的數據移位器用于發送和接收。傳輸8位串行數據的頻率由相應的控制寄存器設置決定。同步信息移位和數據線的數據采集采用串行時鐘線。SPI分主設備和從設備，兩者通過SPI協議通信。SPI有4種模式，從設備的模式決定了主設備的模式。當主設備的模式和從設備相同時，即可正常通信［5］。

2 噴碼機系統的軟件設計

WinCE是高度模塊化的嵌入式操作系統，用戶可通過PB(PowerBuilder)工具根據具體的應用需要，選擇需要的操作系統功能組件，然后生成操作系統運行時的映像，同時導出特定的軟件開發工具包(software development kit，SDK)。

2.1 應用程序設計

高解析噴碼機是點陣噴印，XJ128型號的噴嘴一列有128個噴眼，即噴印的圖形需轉換成一列共128個點(1代表有墨，0代表沒墨)，一次性向噴碼機輸送128個數據。

噴碼機系統的應用程序按噴印信息分為6個模塊，分別是中英文文本模塊、位圖模塊、日期時間模塊、有效期模塊、序列號模塊和條形碼模塊［6］。系統需要處理的對象分為矢量字體和位圖。

對于矢量字體，需要將其轉化為點陣以便噴碼機噴印，系統利用API函數TextOut實現矢量字體的顯示和轉化。在微軟基礎類(Microsoft foundation classes，MFC)中調用 Create-CompatibleDc和 CreateDIBSection函數可以創建一個兼容DC和兼容位圖，pDC－＞TextOut可以顯示矢量字體，然后將這個DC保存為位圖，就可以得到矢量字體的點陣數據［7］。

對于位圖，盡管其已經是點陣數據，但是由于位圖的位深度各有不同，而噴印需要的數據僅僅是一位圖，因此為了可以噴印各種位圖，必須先進行位圖的數據處理。WinCE操作系統中的API函數是Windows API函數的子集，在MFC中同樣沒有可以處理數字圖形的類，因此需要用類向導添加一個Cdib類，用于處理數字圖形［8］。

主要成員函數如下。

數據處理完成后，將處理好的點陣數據存儲到數組中，通過串口通信噴頭進行字體噴印。

由于噴碼機需要不斷地傳輸二進制碼，所以驅動程序是典型的流式驅動，WinCE提供流式接口驅動程序管理流式設備。在流式接口驅動程序中，驅動程序負責把外設抽象成一個文件，而應用程序則使用操作系統提供的API對外設進行訪問［9］。下面是程序的部分代碼。

數據處理流程圖如圖2所示，這一部分是噴碼機應用程序的重要功能。

圖2 數據處理流程圖Fig.2 Flowchart of data processing

2.2 驅動程序設計

為了便于驅動程序的維護和移植，驅動設計采用分層驅動，包括模型設備驅動層(model device driver，MDD)和平臺相關驅動層(platform dependence diver，PDD)。MDD層包含某一類型的驅動程序所通用的相關代碼，PDD層包含特定的硬件或平臺專用的代碼。操作系統通過設備驅動程序接口(device driver interface，DDI)函數調用MDD，MDD通過設備驅動程序服務接口(device driver service interface，DDSI)函數調用PDD［10］。SPI驅動設計具體介紹如下。

操作系統需要通過DDI接口與驅動MDD層交互。MDD層暴露的DDI函數GetRegistryData用來得到保存在注冊表中的硬件信息、獲取通信模式、時鐘極性、時鐘相位以及分頻值;函數InternalMapRegisters的功能是將SPI寄存器、GPIO寄存器、時鐘寄存器物理地址映射為虛擬地址，方便系統的調用和統一管理。SPI_Open的功能為打開設備進行讀/寫操作，該函數在調用API函數CreateFile()時調用;SPI_Close的功能為關閉設備，該函數在調用API函數CloseHandle時調用。這些DDI函數需要調用PPD層暴露的DDSI函數實現與硬件的交互。分層驅動程序調用流程圖如圖3所示。

圖3 分層驅動程序調用流程圖Fig.3 Flowchart of hierarchical driver calls

MDD層通過調用DDSI接口函數實現與硬件的交互。PDD層中的HW_Init函數將MDD層獲得的參數傳遞給SPI寄存器賦值，并且初始化模式和傳輸數據。SPI驅動程序傳輸數據流程圖如圖4所示。

圖4 SPI驅動程序傳輸數據流程圖Fig.4 Flowchart of SPI driver data transmission

當系統啟動后，設備管理器就會枚舉［HKEY_CAL_CHINEDriversBuiltIn］下的所有鍵值，并調用驅動的SPI_Init函數。如果函數調用成功，設備管理器就會將該驅動的信息寫入到［HKEY_LOCAL_MACHINEDriversActive］。當系統不再使用該設備時，應用程序可調用DeactivateDevice()函數把該驅動程序卸載。設備管理器會負責將sampledev.dll從vice.exe的虛擬地址空間中移除，并且從HKEY_CAL_MACHINEDriversActive鍵下移除對該設備驅動的記錄［11］。

3 試驗結果

測試表明，系統穩定性強，噴印速度較快，噴印效果清晰。噴印圖樣如圖5所示。

圖5 噴印樣品Fig.5 Printed samples

4 結束語

本文研究和開發了工業生產應用中的噴印控制系統，包括硬件系統模塊化設計、圖形處理、界面開發、SPI總線協議的實現、流式驅動程序的編寫。系統將ARM9強大的處理和控制能力和WinCE的實時性、可剪裁性等特點結合起來，滿足系統微型化、高性能、實時性強的要求。

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