基于Cortex-M3的XJ128噴頭驅動控制研究*

蔡錦達，郭振云

(上海理工大學機械工程學院，上海200093)

0 引言

噴墨技術能在襯底上逐漸沉積具有不同化學和物理性質的材料，這使其成為工業和家庭使用的一項重要的技術［1］。由于噴墨技術具有操作簡單、成本低等優點，它已廣泛應用于太陽能電池板、平板顯示器中電子電路板砂、低成本的金屬涂層等多個行業的制造過程中?；趪娔蛴C機械原型的應用程序在醫學領域已經用于打印DNA 結構，使人造皮膚噴射細胞［2］。目前市場對于高質量、快速并且更節省能源的專業噴頭及控制的需求更激烈［3］，因此，研究各種噴頭的控制程序具有重要意義。

目前國內大多數噴碼機不僅依賴于價格高昂的進口產品，而且它們大多數采用分離的噴頭控制器，具有體積大、操作繁瑣等缺點，完全沒有發揮微處理器和內嵌操作系統結合產品的操作簡便、遠程傳輸、接口豐富的優點［4］。例如文獻［5］采用多個的嵌入式RIP 處理卡來單獨控制每一噴頭，文獻［6］分別采用單獨的運動控制板和數據傳輸板及獨立的噴頭控制板實現噴墨控制，這些系統的布線都比較復雜，因此噴頭一般不能移動，否則會使控制臺混亂并在拖行過程中引起較大的機械振動，不能滿足醫療等行業對控制臺微振動要求。而且每增加一個噴頭都需要增加相應的模塊，這不僅使線路更加復雜，而且提高了生產成本。

因此本研究在文獻［7］的研究的基礎上設計基于Cortex-M3 處理器對XARR 公司生產的XJ128 噴頭的控制系統，該系統中間無需復雜的控制卡，不僅布線比較少，成本也比較低，而且通過實驗可發現該控制系統也能快速控制噴頭進行噴液。

1 硬件系統的組成

1.1 微處理器的選擇

Cortex-M3 處理器是ARM 公司設計的最新一款32 位處理器系列，目的是全面替代目前的8/16 位單片機［8］。據調查，其有望成為32 位MCU 中8051［9］。在指令方式方面，Cortex-M3 采用thumb-2 技術并兼容顯存的ARM 解決方案，這比純ARM 代碼少使用31%的內存，同時能提供比thumb 技術高38%的性能［10］;在中斷方面，Cortex-M3 的嵌套向量中斷控制器提供了工業領先的中斷處理性能，控制器不僅可以控制多達255 個中斷，而且它用簡單的6 個周期的取指取代了傳統的串行堆棧需要超過30 個時鐘周期的push-pop操作才能完成的動作，使從中斷發生到進入服務減少70%的周期數［11］;在價格方面，目前最便宜的基于Cortex-M3 內核的單片機售價為1 美元［12］，由此可見Cortex-M3 適用于高性能、低功耗、實時應用及具有競爭性價格于一體的嵌入式領域［13］。

LPC1752 是基于Cortex-M3 內核的微控制器，其CPU 操作頻率可高達100 MHz，外設包含一個高達64 K的Flash 存儲器和16 K 的數據存儲器，可以實現高速、高效的噴頭數據傳輸及控制;其次，LPC1752 還有一個外部中斷輸入，可以快速讀取噴頭的狀態;最后，LPC1752 上有42 個管腳可以配置為邊沿檢測中斷，這有利于提高程序的實時性，使對時間敏感的程序可以在規定時間內完成。因此，LPC1752 是首選的控制XJ128 噴頭的微控制器。

1.2 噴頭的介紹

XJ128 噴頭［14-15］包含有128 個由壓電晶體材料構成的通道驅動器，內置油墨過濾器及驅動控制電路，整體安裝在一金屬塊骨架上。噴頭上有128 個噴嘴，每個噴嘴都是以“二態”方式運作，因而可以按需噴射單一大小的墨點。其電氣接口共有30 個引腳，但是其中有10 個是沒有連接的保留接口，9 個為電源和接地引腳，其他11 個引腳為信號引腳。其主要功能引腳如表1所示。

表1 XJ128 噴頭的主要引腳

XJ128 噴頭的內部有兩個64 位的數據移位寄存器，當準備就位(READY)信號變為低電平時，分別選中片選信號nSS1 和nSS2 后，利用數據時鐘(SCK)的上升沿時刻，MOSI 將64 位數據有序地裝載進入相應的移位暫存器。數據裝載完畢后準備就位(READY)信號跳到非活躍狀態，數據就可以轉載進入移位暫存器。在此時刻，噴頭就可使用這組數據控制噴頭。然后觸發點火(nFIRE)信號按照設定數據啟動“點火”射出所加載的液體。

由于移位暫存器擁有雙緩沖個體，系統允許噴頭在噴液進行的同時裝載下一組數據。當噴頭開始打印最后一個相位的數據時，準備就位(READY)信號就會轉跳到停頓狀態，噴頭就可以加載下一組數據。其裝載時序如圖1所示。

圖1 XJ128 噴頭的控制時序

2 噴頭控制程序設計

2.1 噴頭點火程序的設定

由圖1 可以看出復位(nRESET)信號和點火(nFIRE)信號都有各自要求的頻寬，因此可以通過在調用延時子程序時改變函數參數來實現。Cortex-M3 的系統時鐘頻率為24 MHz，而復位(nRESET)信號的最小頻寬為500 ns，點火(nFIRE)信號的頻寬為1 μs ～120 μs，而且點火(nFIRE)信號必須在準備就位(READY)信號被激活的狀態才有效，而傳輸過程中準備就位(READY)信號的活躍脈寬的標準值為58 μs，因此延時函數不應設定過長。

2.2 基于邊沿中斷的噴印數據傳輸

XJ128 噴頭的MOSI 引腳內的移位暫存器是64 位的，而Cortex-M3 上SPI 每次最多只能發16，因此系統需要發送4 次才能完成對一個芯片的數據裝載，為了方便數據的傳輸，本研究把預先設定的數據存放在數組中，這樣后面使用就比較方便。其次XJ128 芯片的噴頭由兩個64 位的移位暫存器分別控制前64 位和后64 位，只有兩個芯片全都裝載完數據后準備就位(READY)信號才會變成活躍狀態，之后點火(nFIRE)信號才能控制噴頭進行噴射。

數據傳輸的程序既可以在查詢中完成，也可以在中斷中完成。由于中斷不僅可以提高CPU 的工作效率，還具有實時處理的功能，能對控制系統中的各種參數和狀態做出快速響應、及時處理［16］，本研究選擇中斷處理的方式。而目前可有兩個中斷入口:一個是Cortex-M3 上SPI 的數據傳輸完成中斷，由圖1 可以看出只有在準備就位(READY)信號處于低電平的情況下才能激活片選(nss(x))信號，故另外一個中斷入口是準備就位(READY)信號的邊沿中斷。數據傳輸完成后SPI 的傳輸完成標志位會立即復位，而準備就位(READY)信號則在XJ128 噴頭接收完數據后還需執行兩相噴射才能被激活。也就是說準備就位(READY)信號的激活等待時間要比SPI 復位的等待時間長，即準備就位(READY)信號才是最終決定是否傳輸下一組數據。因此本研究選擇準備就位(READY)信號的下降沿做為中斷入口。

數據傳輸完成后還要控制點火(nFIRE)信號才能真正完成噴頭噴射過程，而點火(nFIRE)信號只有在準備就位(READY)信號激活時才有效，那么要執行點火(nFIRE)信號，那么首先要判斷準備就位(READY)信號的狀態。由于系統選擇以準備就位(READY)信號下降沿中斷的方式實現數據從Cortex-M3 到噴頭的2 個64 位移位暫存器的傳輸，那么使用查詢的方式判斷再次準備就位(READY)信號的狀態就顯得太冗余復雜了，最好也采用中斷的方式判斷準備就位(READY)信號的狀態。

Cortex-M3 有獨立的上升沿中斷寄存器和下降沿中斷寄存器，因此GPIO 中PORT0 和PORT2 端口的每一個引腳都可以配置并觸發上升沿中斷、下降沿中斷或者邊沿中斷(同時設定上升沿中斷和下降沿中斷)，這樣正好可以滿足以雙中斷的方式控制噴頭的要求。以準備就位(READY)信號所接的引腳P0.2 為例，上升沿中斷使能寄存器(IO0IntEnR)可以使能P0.2 管腳的上升沿中斷，下降沿中斷使能寄存器(IO0IntEnF)可以使能P0.2 管腳下降沿中斷。

IO0IntEnR［2］=1 時，P0.2 上升沿中斷使能;

IO0IntEnR［2］=0 時，P0.2 上升沿中斷禁能;

IO0IntEnF［2］=1 時，P0.2 下降沿中斷使能;

IO0IntEnF［2］=0 時，P0.2 下降沿中斷禁能。

圖2 GPIO 邊沿中斷示意圖

中斷內的數據傳輸如圖3所示。其中P［n］為控制噴頭中每個噴嘴的數值，該數組可以設的很大，以實現XJ128 噴頭的連續噴射，但是n 必須為8 的整數倍，這是由噴頭的移位暫存器和Cortex-M3 上SPI 的性質決定的。i 表示每次裝載數據P［n］中的第i 個數據，j表示裝載的次數，Flag 為標志位。

圖3 數據傳輸流程圖

2.3 高溫報警及復位信號

XJ128 噴頭有一個低電平觸發的高溫誤差(nFAULT)信號，當噴頭的溫度高于臨界值45 ℃～55 ℃，高溫誤差(nFAULT)信號就會被激活，而且該信號是不能被更改的，只有當噴頭溫度降低到臨街溫度以后后報警信號才能被解除。因為應用過程中要求噴頭精確的運動，必須設定報警信號中斷，且中斷等級比準備就位(READY)信號的中斷等級要高，這樣才可以在準備就位(READY)信號的中斷運行時進入高溫中斷，實現高溫報警信號的啟動，然后再中斷內通過邏輯復位信號對芯片進行邏輯程序異步復位，該復位只是讓噴頭停止工作，但是并不會將數據輸入暫存器內部的資料重組，因此，只需等到溫度降低后再通過點火(nFIRE)信號即可讓噴頭繼續工作，并不需要重新加載數據輸入暫存器的值。

由于要區別準備就位(READY)信號和高溫誤差(nFAULT)信號的優先級，兩者不能同時使用I/O 口中斷。系統可以設置(nFAULT)信號所對應的引腳為外部中斷EINT0(Cortex-M3 上外部中斷和I/O 口中斷分別使用兩個不同的中斷通道，可以設置不同的優先級)的邊沿中斷，同時設定上升沿中斷和下降沿中斷，并且兩者的中斷優先級要比SPI 接口中斷的優先級高，這樣就可以在下降沿中斷內通過置位片選(nSS(x))信號和停止數據時鐘(SCK)信號來停止Cortex-M3對噴頭的數據傳輸，避免噴頭已儲存在暫存器內的數據清除，從而保證噴頭嚴格按照設定的步驟工作;在高溫誤差(nFAULT)信號上升沿中斷內復位片選(nss(x))信號和數據時鐘(SCK)信號使噴頭重新開始工作。

3 程序測試結果及分析

根據上述實驗設計，本研究編寫了基于Cortex-M3的噴頭的驅動程序，在該程序中，噴頭的高溫誤差(nFault)信號連接開發板的外部中斷EINT0，準備就緒信號READY 連接GPIO 口中斷，其余各口連接在普通IO 口上，并按照相應的要求設定為輸入或者輸出。通過示波器測量可得部分波形圖如圖4、圖5所示。

由圖4 和圖5 可知，當準備就位信號(READY)為低時，nSS2 會先變為低電平，即選中nSS2 進行數據傳輸，等待數據傳輸完成后nSS2 會跳變成高電平，然后nSS1 變為低電平進行數據傳輸，最后等待點火(nFIRE)信號，然后再進行下又一輪的控制。同樣，經過測量，其他各個變量電平的變化也都滿足噴頭的驅動要求。通過實驗可以看出，該程序可以按照設定要求控制XJ128 噴頭相應的噴孔進行噴液。

圖4 nSS2 與nSS1 的波形圖

圖5 MOSI 與nSS2 的波形圖

4 結束語

本研究簡要介紹了Cortex-M3 的優點和XJ128 噴頭的接口及控制要求，重要研究了噴頭控制程序的設計，提出了基于中斷的驅動控制思路，最后通過示波器及噴頭控制實驗對所編寫的控制程序進行了驗證，證明該程序可以高效地控制噴頭的各個噴嘴。

本研究采用嵌入式微處理器控制直接對噴頭進行，既實現了嵌入式微處理器的最大化利用，又節省了成本。此外，Cortex-M3 上有多達52 個管腳，其中42個可以配置中斷，不僅可以實現對多個噴頭高效的控制，還能實現對其他設備的控制，實現基于嵌入式微處理器的一體化控制。

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