流水線上嵌入式噴碼機系統設計

王宏文　黃金蘭　董苗

摘 要： 在現代的生產流水線上離不開噴碼機的使用，國內傳統的噴碼機大部分都是以8/16位單片機為控制器的系統，依托于龐大的上位機，成本昂貴且不利于維護，為了提高噴印效率的同時又能降低噴碼機的成本以及方便使用，設計一種嵌入式噴碼機。采用三星公司基于ARM920T內核的S3C2440A芯片作為中央處理器，利用XAAR公司的XJ128噴頭搭建嵌入式系統硬件平臺，基于WinCE操作系統，開發相應的噴碼器應用程序。該系統體積小巧，靈活性強，并且帶有觸摸屏，操作簡單，成本較低易于移動，同時也更方便后期維護和升級。

關鍵詞： 嵌入式； 噴碼機； S3C2440A； WinCE

中圖分類號： TN06?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0107?04

0 引 言

對于生產線上需要噴印的產品，噴印的圖像既要清晰又要快速。如何更好地保證噴印質量和效率是噴碼設備生產企業一直不斷創新的方向。噴碼設備對于建立產品個性化特點，通過包裝展現產品的獨特個性，是企業贏得消費者的關鍵。目前墨水噴碼機的市場很大部分已被激光噴碼機占據，但激光噴碼機因為材質的限制也不可能完全替代墨水噴碼機。而且現在國內主流的墨水噴碼機一般都采用8/16位單片機作為其控制器，利用PC機做上位機，這在一定程度上加大了成本，浪費了資源，此外，由于尺寸的限制，不利于后期的維護和移動。由此設計一種體積小巧，攜帶方便，不依賴于PC機的基于S3C2440A的嵌入式噴碼機系統。

1 總體設計

嵌入式噴碼機的設計包括硬件系統和軟件系統的設計，硬件系統主要以S3C2440A芯片為中央處理器，采用XAAR公司的XJ128噴頭，并結合外圍電路。軟件系統主要基于WinCE操作系統，根據硬件電路，開發出WinCE的驅動程序，編寫針對噴碼機功能操作界面的應用程序。開機后，操作者只需在噴碼機自帶的觸摸屏上點擊選擇噴印內容，點擊打印，噴碼機開始噴印工作。操作簡單，噴印內容也可以隨意更改。

2 硬件設計

三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C2440A[1]為手持設備提供了低價、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2440A基于ARM920T內核[1]，采用了AMBA（Advanced Micro controller Bus Architecture）的總線架構。

英國賽爾（XAAR）公司的XJ128噴頭由128個并行排列的通道組成，噴頭中的128個噴嘴都是以“二態”形式動作的。噴頭的電氣接口主要是負責數據的傳輸和命令的控制，即外部控制器可以通過電氣接口使噴頭正常工作。

系統總體硬件設計圖如圖1所示。以S3C2440A微處理器為中心，包括電源電路和復位電路、ARM芯片的外部擴展電路及屏幕顯示、串口通信等電路等。

圖1 總體硬件設計圖

2.1 電源和復位電路

由于芯片S3C2440A需要3.3 V的外部I/O供電，1.8 V/2.5 V/3.3 V的存儲器供電，1.25 V的內核供電，而且噴頭需要5 V和35 V兩種供電電壓，后續使用的光電傳感器需要12 V的電源供電，所以在硬件設計中不得不考慮到電源部分的設計[2]。電源示意圖如圖2所示。

圖2 電源示意圖

圖2中，220 V交流電壓經過變壓器，整流、濾波和穩壓電路，輸出穩定的直流電壓12 V，12 V分別通過XL6009E1升壓芯片和LM2596降壓兩種電壓轉換電路，得到35 V和其他較小的電壓值，35 V通過濾波電容后給XJ128噴頭提供電源，其他電壓則給S3C2440A內核及其他外圍電路供電。運用電壓轉換芯片的好處是結構簡單，轉換效率高，輸出負載電流大。

復位電路采用專用的復位芯片MAX811組成復位電路，帶有手動復位引腳。

2.2 外部擴展電路

S3C2440A處理器內部集成的ROM和RAM容量較小，需要擴展存儲[3]，而且其芯片內部集成了SDRAM控制器和NAND FLASH控制器。SDRAM相當于計算機的內存，主要用于執行程序，但是掉電后里面的數據會丟失。NAND FLASH相當于計算機的硬盤，容量較大，存儲單位比特數據的成本低，但是需要按照特定的時序對它進行讀寫操作，CPU對其中數據的讀寫是通過專門的NAND FLASH 控制器來進行的，因此NAND FLASH更適合于存儲數據。NOR FLASH 容量小，速度快，對它進行讀寫操作時輸入地址，然后給出讀寫信號即可從數據總線上得到數據，但是價格一般比NAND FLASH 高，因此適合做程序存儲器。所以，NOR FLASH 可以直接連接到ARM總線上，而NAND FLASH 需要通過NAND FLASH控制器與S3C2440A相連接。上電后通過識別OM[1：0]的電平來選擇是NOR FLASH還是NAND FLASH啟動。

圖3 S3C2440A外部擴展

S3C2440A與外部存儲器的連接示意圖如圖3所示，S3C2440A處理器可以尋址1 GB的空間，它將這個空間分為8個區域，每個區域稱為一個bank，即整個存儲空間被分成了bank0～bank7。S3C2440A有27根地址線ADDR[26：0]，8個片選信號nGCS0～nGCS7，對應bank0～bank7，當nGCSx引腳為低電平時即訪問bankx的地址空間，選中外設[3]。

系統采用的Micron（美光）SDRAM芯片MT48LC16M16A2?75D的nSCS管腳接在S3C2440A SDRAM控制器的nGCS6，即接在了bank6上，所以SDRAM的物理地址從0x30000000開始。因為每塊內存芯片的接口線寬為16位，這里選擇2片內存芯片并接成32位，與S3C2440A的32根數據線相連，總容量為64 MB，所以SDRAM的地址為：0x30000000～0x3FFFFFFF。

NOR FLASH芯片EN29LV160AB大小為2 MB，數據總線位寬為16位，接在nGCS0，即接在了bank0上，所以NOR的物理地址為0x00000000～0x001FFFFF。

NAND FLASH芯片K9F1G08UOA不需要通過CPU的地址線訪問，所以存儲空間大小可達1 GB。NAND是由硬件本身識別的，不存在物理地址。

2.3 TFT LCD觸摸屏

本系統液晶型號選用的是WXCAT43，即東華4.3寸TFT真彩液晶屏，觸摸屏集成在此液晶屏上，LCDCON1～LCDCON4初始化主要是針對時序信號的時間參數進行的初始化，LCDCON5針對的是信號極性的初始化，LCDADDR1～LCDADDR3為幀內存地址寄存器，用于告訴LCD控制器幀內存地址。

硬件連接時只需要將控制器的輸出引腳和TFT LCD相應的信號線連接即可，LCD的電源接在S3C2440A的GPG4引腳上，因此初始化時，需要將該引腳配置成輸出，高電平時給LCD供電。

2.4 外部接口電路

在噴碼機使用中，當噴印的圖形發生改變時，可以通過插入U盤的方式進行更改噴印圖片內容，或者使用SD卡，來選擇不同的噴印圖片。此外帶有RS 232串口與網絡接口，方便與其他設備進行通信。

2.5 SPI通信接口

本系統運用S3C2440A集成的SPI功能模塊與XJ128噴頭進行通信，并驅動噴頭工作。S3C2440A有兩路SPI[1]，每路都有8位數據移位寄存器分別進行發送和接收。噴頭的nSS1、nSS2和nFIRE分別由S3C2440A的通用I/O口GPG13，GPG14，GPG1控制。S3C2440A設置為主機模式，噴頭的MOSI0，CLK分別連接到S3C2440A的SPIMOSI0，SPICLK引腳，用PWM Timer 為噴頭提供工作時鐘，使噴頭噴印過程中打印速度適中，用EINT8管腳連接噴頭READY引腳用于檢測噴頭工作狀態。如圖4所示。

圖4 S3C2440A與XJ128的連接

3 軟件系統

噴碼機圖形化的操作程序是基于WinCE 6.0平臺下開發的，WinCE 6.0是一種模塊化的、易裁剪、定制移植方便的多任務嵌入式操作系統，支持多種硬件平臺，能滿足系統對實時性、穩定性的要求。軟件系統設計主要分為操作系統的定制與移植、應用程序的開發。

根據硬件電路，對WinCE 6.0提供的BSP（板機支持包）進行修改，以便于上層軟件能正確調用底層的硬件設備，使用WinCE 6.0操作系統的開發工具Platform Builder進行操作系統的裁剪，生成BSP。由于篇幅有限，本文僅對驅動程序結構加以說明。

在本系統中，顯示驅動等特定驅動程序都不需改變，主要涉及對流接口[4]驅動程序的修改。大部分Windows CE下的驅動程序采用了分層驅動的結構，在這種結構中，驅動程序被分為兩部分，上層是模型設備驅動（MDD），下層是硬件平臺相關驅動（PDD）。如圖5所示。

圖5 流接口驅動架構

由于本系統的主要外在物理功能主要是芯片與噴頭之間的數據傳輸，所以采用流接口驅動的方式。流接口驅動基于分層結構設計，MDD層提供框架性的實現，與具體硬件無關；而PDD層提供對硬件操作的相應代碼。微軟提供MDD層，對于所有的平臺和函數都是通用的，既可以作為源代碼也可作為鏈接庫，無需對MDD層進行改動。MDD層提供供操作系統調用的設備驅動程序接口（DDI）。設備驅動服務供應接口（DDSI）是由PDD層提供給MDD層調用的函數集[5]。流接口驅動遵循流接口驅動模型和一般的流接口函數規范，由Device. exe直接調用，主要通過基于流接口驅動程序所需的函數實現，例如： XXX_Init，XXX_Deinit，XXX_Open，XXX_Close，XXX_Read，XXX_Write，XXX_Seek，XXX_IOControl等基本實現函數。

流接口驅動被設計為與文件系統API相匹配的形式，這些API包括ReadFile、IOControl等。應用程序可以通過文件系統來調用流接口驅動。應用程序與驅動程序之間通過文件系統中打開的特殊文件來進行交互。

噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖如圖6所示。

圖6 噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖

圖6中，噴頭接口的信號時序正確，由此可見，基于S3C2440A的嵌入式噴碼機系統工作穩定。

4 結 語

各個生產領域都離不開噴碼機，噴碼機噴印質量和效率對于生產廠家來說就是產品流水線上最后的一個挑戰。依賴PC機的基于低端單片機的噴碼機成本大，并且造成PC機大材小用，浪費資源，靈活性差，勢必將被基于更先進微處理器作為控制器的嵌入式噴碼機所取代。嵌入式噴碼機的體積小，方便移動，使其不必依賴于上位機，節省了成本，用戶完全可以在觸摸屏上操作控制噴頭，操作簡單，噴印效率高，而且方便后期維護和升級。此外，帶有網絡和RS 232等接口，方便與其他設備進行交互。

參考文獻

[1] Samsung Electronics. S3C2440A 32?bit CMOS microcontroller user′s manual [R]. Republic of Korea： Samsung Electronics， 2004.

[2] 蔡理金.嵌入式手持終端電源設計技術與實現[J].電源技術應用，2011，14（8）：57?60.

[3] 王小強.ARM處理器裸機開發實戰：機制而非策略[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4] 華清遠見嵌入式培訓中心.Windows CE嵌入式開發標準教程（修訂版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 胡軍山，白瑞林，李浩.基于WinCE的電梯監控系統多串口通信實現[J].自動化儀表，2009，30（7）：11?14.

[6] 李文新，王廣龍，陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測控系統[J].計算機測量與控制，2009，17（8）：1498?1500.

系統采用的Micron（美光）SDRAM芯片MT48LC16M16A2?75D的nSCS管腳接在S3C2440A SDRAM控制器的nGCS6，即接在了bank6上，所以SDRAM的物理地址從0x30000000開始。因為每塊內存芯片的接口線寬為16位，這里選擇2片內存芯片并接成32位，與S3C2440A的32根數據線相連，總容量為64 MB，所以SDRAM的地址為：0x30000000～0x3FFFFFFF。

NOR FLASH芯片EN29LV160AB大小為2 MB，數據總線位寬為16位，接在nGCS0，即接在了bank0上，所以NOR的物理地址為0x00000000～0x001FFFFF。

NAND FLASH芯片K9F1G08UOA不需要通過CPU的地址線訪問，所以存儲空間大小可達1 GB。NAND是由硬件本身識別的，不存在物理地址。

2.3 TFT LCD觸摸屏

本系統液晶型號選用的是WXCAT43，即東華4.3寸TFT真彩液晶屏，觸摸屏集成在此液晶屏上，LCDCON1～LCDCON4初始化主要是針對時序信號的時間參數進行的初始化，LCDCON5針對的是信號極性的初始化，LCDADDR1～LCDADDR3為幀內存地址寄存器，用于告訴LCD控制器幀內存地址。

硬件連接時只需要將控制器的輸出引腳和TFT LCD相應的信號線連接即可，LCD的電源接在S3C2440A的GPG4引腳上，因此初始化時，需要將該引腳配置成輸出，高電平時給LCD供電。

2.4 外部接口電路

在噴碼機使用中，當噴印的圖形發生改變時，可以通過插入U盤的方式進行更改噴印圖片內容，或者使用SD卡，來選擇不同的噴印圖片。此外帶有RS 232串口與網絡接口，方便與其他設備進行通信。

2.5 SPI通信接口

本系統運用S3C2440A集成的SPI功能模塊與XJ128噴頭進行通信，并驅動噴頭工作。S3C2440A有兩路SPI[1]，每路都有8位數據移位寄存器分別進行發送和接收。噴頭的nSS1、nSS2和nFIRE分別由S3C2440A的通用I/O口GPG13，GPG14，GPG1控制。S3C2440A設置為主機模式，噴頭的MOSI0，CLK分別連接到S3C2440A的SPIMOSI0，SPICLK引腳，用PWM Timer 為噴頭提供工作時鐘，使噴頭噴印過程中打印速度適中，用EINT8管腳連接噴頭READY引腳用于檢測噴頭工作狀態。如圖4所示。

圖4 S3C2440A與XJ128的連接

3 軟件系統

噴碼機圖形化的操作程序是基于WinCE 6.0平臺下開發的，WinCE 6.0是一種模塊化的、易裁剪、定制移植方便的多任務嵌入式操作系統，支持多種硬件平臺，能滿足系統對實時性、穩定性的要求。軟件系統設計主要分為操作系統的定制與移植、應用程序的開發。

根據硬件電路，對WinCE 6.0提供的BSP（板機支持包）進行修改，以便于上層軟件能正確調用底層的硬件設備，使用WinCE 6.0操作系統的開發工具Platform Builder進行操作系統的裁剪，生成BSP。由于篇幅有限，本文僅對驅動程序結構加以說明。

在本系統中，顯示驅動等特定驅動程序都不需改變，主要涉及對流接口[4]驅動程序的修改。大部分Windows CE下的驅動程序采用了分層驅動的結構，在這種結構中，驅動程序被分為兩部分，上層是模型設備驅動（MDD），下層是硬件平臺相關驅動（PDD）。如圖5所示。

圖5 流接口驅動架構

由于本系統的主要外在物理功能主要是芯片與噴頭之間的數據傳輸，所以采用流接口驅動的方式。流接口驅動基于分層結構設計，MDD層提供框架性的實現，與具體硬件無關；而PDD層提供對硬件操作的相應代碼。微軟提供MDD層，對于所有的平臺和函數都是通用的，既可以作為源代碼也可作為鏈接庫，無需對MDD層進行改動。MDD層提供供操作系統調用的設備驅動程序接口（DDI）。設備驅動服務供應接口（DDSI）是由PDD層提供給MDD層調用的函數集[5]。流接口驅動遵循流接口驅動模型和一般的流接口函數規范，由Device. exe直接調用，主要通過基于流接口驅動程序所需的函數實現，例如： XXX_Init，XXX_Deinit，XXX_Open，XXX_Close，XXX_Read，XXX_Write，XXX_Seek，XXX_IOControl等基本實現函數。

流接口驅動被設計為與文件系統API相匹配的形式，這些API包括ReadFile、IOControl等。應用程序可以通過文件系統來調用流接口驅動。應用程序與驅動程序之間通過文件系統中打開的特殊文件來進行交互。

噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖如圖6所示。

圖6 噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖

圖6中，噴頭接口的信號時序正確，由此可見，基于S3C2440A的嵌入式噴碼機系統工作穩定。

4 結 語

各個生產領域都離不開噴碼機，噴碼機噴印質量和效率對于生產廠家來說就是產品流水線上最后的一個挑戰。依賴PC機的基于低端單片機的噴碼機成本大，并且造成PC機大材小用，浪費資源，靈活性差，勢必將被基于更先進微處理器作為控制器的嵌入式噴碼機所取代。嵌入式噴碼機的體積小，方便移動，使其不必依賴于上位機，節省了成本，用戶完全可以在觸摸屏上操作控制噴頭，操作簡單，噴印效率高，而且方便后期維護和升級。此外，帶有網絡和RS 232等接口，方便與其他設備進行交互。

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[6] 李文新，王廣龍，陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測控系統[J].計算機測量與控制，2009，17（8）：1498?1500.

系統采用的Micron（美光）SDRAM芯片MT48LC16M16A2?75D的nSCS管腳接在S3C2440A SDRAM控制器的nGCS6，即接在了bank6上，所以SDRAM的物理地址從0x30000000開始。因為每塊內存芯片的接口線寬為16位，這里選擇2片內存芯片并接成32位，與S3C2440A的32根數據線相連，總容量為64 MB，所以SDRAM的地址為：0x30000000～0x3FFFFFFF。

NOR FLASH芯片EN29LV160AB大小為2 MB，數據總線位寬為16位，接在nGCS0，即接在了bank0上，所以NOR的物理地址為0x00000000～0x001FFFFF。

NAND FLASH芯片K9F1G08UOA不需要通過CPU的地址線訪問，所以存儲空間大小可達1 GB。NAND是由硬件本身識別的，不存在物理地址。

2.3 TFT LCD觸摸屏

本系統液晶型號選用的是WXCAT43，即東華4.3寸TFT真彩液晶屏，觸摸屏集成在此液晶屏上，LCDCON1～LCDCON4初始化主要是針對時序信號的時間參數進行的初始化，LCDCON5針對的是信號極性的初始化，LCDADDR1～LCDADDR3為幀內存地址寄存器，用于告訴LCD控制器幀內存地址。

硬件連接時只需要將控制器的輸出引腳和TFT LCD相應的信號線連接即可，LCD的電源接在S3C2440A的GPG4引腳上，因此初始化時，需要將該引腳配置成輸出，高電平時給LCD供電。

2.4 外部接口電路

在噴碼機使用中，當噴印的圖形發生改變時，可以通過插入U盤的方式進行更改噴印圖片內容，或者使用SD卡，來選擇不同的噴印圖片。此外帶有RS 232串口與網絡接口，方便與其他設備進行通信。

2.5 SPI通信接口

本系統運用S3C2440A集成的SPI功能模塊與XJ128噴頭進行通信，并驅動噴頭工作。S3C2440A有兩路SPI[1]，每路都有8位數據移位寄存器分別進行發送和接收。噴頭的nSS1、nSS2和nFIRE分別由S3C2440A的通用I/O口GPG13，GPG14，GPG1控制。S3C2440A設置為主機模式，噴頭的MOSI0，CLK分別連接到S3C2440A的SPIMOSI0，SPICLK引腳，用PWM Timer 為噴頭提供工作時鐘，使噴頭噴印過程中打印速度適中，用EINT8管腳連接噴頭READY引腳用于檢測噴頭工作狀態。如圖4所示。

圖4 S3C2440A與XJ128的連接

3 軟件系統

噴碼機圖形化的操作程序是基于WinCE 6.0平臺下開發的，WinCE 6.0是一種模塊化的、易裁剪、定制移植方便的多任務嵌入式操作系統，支持多種硬件平臺，能滿足系統對實時性、穩定性的要求。軟件系統設計主要分為操作系統的定制與移植、應用程序的開發。

根據硬件電路，對WinCE 6.0提供的BSP（板機支持包）進行修改，以便于上層軟件能正確調用底層的硬件設備，使用WinCE 6.0操作系統的開發工具Platform Builder進行操作系統的裁剪，生成BSP。由于篇幅有限，本文僅對驅動程序結構加以說明。

在本系統中，顯示驅動等特定驅動程序都不需改變，主要涉及對流接口[4]驅動程序的修改。大部分Windows CE下的驅動程序采用了分層驅動的結構，在這種結構中，驅動程序被分為兩部分，上層是模型設備驅動（MDD），下層是硬件平臺相關驅動（PDD）。如圖5所示。

圖5 流接口驅動架構

由于本系統的主要外在物理功能主要是芯片與噴頭之間的數據傳輸，所以采用流接口驅動的方式。流接口驅動基于分層結構設計，MDD層提供框架性的實現，與具體硬件無關；而PDD層提供對硬件操作的相應代碼。微軟提供MDD層，對于所有的平臺和函數都是通用的，既可以作為源代碼也可作為鏈接庫，無需對MDD層進行改動。MDD層提供供操作系統調用的設備驅動程序接口（DDI）。設備驅動服務供應接口（DDSI）是由PDD層提供給MDD層調用的函數集[5]。流接口驅動遵循流接口驅動模型和一般的流接口函數規范，由Device. exe直接調用，主要通過基于流接口驅動程序所需的函數實現，例如： XXX_Init，XXX_Deinit，XXX_Open，XXX_Close，XXX_Read，XXX_Write，XXX_Seek，XXX_IOControl等基本實現函數。

流接口驅動被設計為與文件系統API相匹配的形式，這些API包括ReadFile、IOControl等。應用程序可以通過文件系統來調用流接口驅動。應用程序與驅動程序之間通過文件系統中打開的特殊文件來進行交互。

噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖如圖6所示。

圖6 噴碼機工作時存儲記錄儀記錄的噴頭接口的波形圖

圖6中，噴頭接口的信號時序正確，由此可見，基于S3C2440A的嵌入式噴碼機系統工作穩定。

4 結 語

各個生產領域都離不開噴碼機，噴碼機噴印質量和效率對于生產廠家來說就是產品流水線上最后的一個挑戰。依賴PC機的基于低端單片機的噴碼機成本大，并且造成PC機大材小用，浪費資源，靈活性差，勢必將被基于更先進微處理器作為控制器的嵌入式噴碼機所取代。嵌入式噴碼機的體積小，方便移動，使其不必依賴于上位機，節省了成本，用戶完全可以在觸摸屏上操作控制噴頭，操作簡單，噴印效率高，而且方便后期維護和升級。此外，帶有網絡和RS 232等接口，方便與其他設備進行交互。

參考文獻

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[6] 李文新，王廣龍，陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測控系統[J].計算機測量與控制，2009，17（8）：1498?1500.