基于單片機(jī)和CPLD的壓電噴墨頭電壓驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

安曉磊

摘 要：壓電陶瓷噴墨頭控制電源中，在單片機(jī)和CPLD的基礎(chǔ)上，采用基于DDS原理產(chǎn)生的數(shù)字可控低壓脈沖激勵(lì)波形，經(jīng)過集成運(yùn)算放大器模塊放大生成所需要的高壓激勵(lì)脈沖。介紹了單片機(jī)和CPLD的工作原理，闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)方案開發(fā)周期短，硬件連接簡(jiǎn)單，能夠基本實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷噴墨頭電源驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)控制；單片機(jī)；CPLD；壓電陶瓷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.055

1 引言

壓電陶瓷式噴墨頭具有可控制，精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于數(shù)字噴墨印刷系統(tǒng)噴印質(zhì)量的提升以及打印速度的加快具有重要意義。壓電式噴墨頭噴出的墨滴大小以及噴射速度和均勻性都會(huì)對(duì)噴印質(zhì)量產(chǎn)生影響，壓電陶瓷形變的大小和頻率是決定輸出墨滴性能的主要影響因素，而驅(qū)動(dòng)電源輸出激勵(lì)脈沖電壓的大小決定了壓電陶瓷片的形變量；激勵(lì)脈沖的頻率影響著陶瓷片的形變速度，因此驅(qū)動(dòng)電源的性能決定了噴墨的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)和CPLD的壓電噴墨頭驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，其中單片機(jī)和CPLD是核心處理芯片，基于DDS原理產(chǎn)生的數(shù)字可控低壓脈沖激勵(lì)波形，經(jīng)集成放大模塊放大后以驅(qū)動(dòng)。

2 驅(qū)動(dòng)電源的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以宏晶科技生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)，Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N CPLD芯片和基于DDS原理的波形生成電路為核心。圖1是驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

在系統(tǒng)中，單片機(jī)作為主要控制器，基于DDS波形生成技術(shù)，由單片機(jī)和CPLD共同生成控制波形。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，CPLD和DAC在單片機(jī)控制下生成低壓的激勵(lì)脈沖，經(jīng)過二階有源低通濾波器濾波后，由PA84放大器將其脈沖放大，按照時(shí)序控制要求將高壓脈沖傳送到噴頭接口芯片控制噴頭工作。

2.1 STC89C52RC單片機(jī)和EPM240T100C5N CPLD

選用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制元件，其處理和存儲(chǔ)能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，可為控制系統(tǒng)提供良好的硬件平臺(tái)。STC89C52RC單片機(jī)是基于8051的內(nèi)核發(fā)展起來的，主要特性是加密性強(qiáng)不可解密；超強(qiáng)的抗干擾技術(shù)；功耗低；具有ISC在線編輯功能。

EPM240T100C5N CPLD芯片具有192個(gè)邏輯宏單元，可以滿足我們的開發(fā)要求；每一個(gè)芯片都內(nèi)置8Kb的Flash存儲(chǔ)器，其中配置數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器內(nèi)部，可進(jìn)行在線編輯，使得當(dāng)整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，計(jì)算機(jī)還可以通過ISP接口對(duì)CPLD進(jìn)行重新配置。

2.2 基于DDS原理的波形生成電路

DDS指的是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDS具有超高頻率的分辨率；可以根據(jù)不同的波形數(shù)據(jù)形成任意波形。基于DDS原理，使用CPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的波形生成電路是驅(qū)動(dòng)電源的核心。圖2所示DDS的波形發(fā)生電路。由單片機(jī)向波形生成電路提供頻率控制字K，通過在一定的范圍內(nèi)改變K的大小，進(jìn)而改變脈沖頻率的大小。CPLD模塊生成地址累加器，通過頻率控制字K的變化來改變地址。程序存儲(chǔ)器ROM是用來儲(chǔ)存波形數(shù)據(jù)的波形存儲(chǔ)器，ROM中存儲(chǔ)著波形的查找表，查找表中的對(duì)應(yīng)地址隨著K值的變化而變化，查找表將地址信息所對(duì)應(yīng)的波形幅度信息傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，DAC就可以將CPLD所生成的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模擬波形，之后再經(jīng)過濾波生成低壓的激勵(lì)脈沖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了獲取滿足噴墨頭工作要求的激勵(lì)脈沖，需要設(shè)計(jì)完整的驅(qū)動(dòng)電源硬件。驅(qū)動(dòng)電源硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制單元；波形生成單元；振幅控制單元；液晶顯示單元；濾波單元；高壓放大單元；串口轉(zhuǎn)換單元；噴墨頭的接口單元。前七個(gè)單元組合是為了實(shí)現(xiàn)振幅頻率數(shù)字可控的高壓激勵(lì)脈沖的輸出；最后一個(gè)單元可以完成數(shù)據(jù)信號(hào)與高壓脈沖激勵(lì)的匹配，處理有關(guān)于激勵(lì)脈沖的電信號(hào)；噴墨頭噴嘴的時(shí)序控制。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，主控電路由單片機(jī)控制CPLD和DAC生成低壓的激勵(lì)脈沖，低壓脈沖經(jīng)過二階有源低通濾波器進(jìn)行濾波后，由PA84放大器將其高壓線性放大成高壓脈沖，并送至噴頭驅(qū)動(dòng)芯片，由驅(qū)動(dòng)芯片控制噴墨頭的工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與仿真

驅(qū)動(dòng)電源的軟件設(shè)計(jì)包括在KeliuVison4中使用C語言對(duì)單片機(jī)的控制；在QuartusII環(huán)境中使用硬件描述語言VHDL對(duì)CPLD進(jìn)行控制，以及使用Matlab軟件對(duì)CPLD進(jìn)行數(shù)字波形的仿真。

4.1 單片機(jī)C語言主程序

單片機(jī)程序包含在頭文件#include中，其中包括了單片機(jī)的寄存器定義，引腳定義等功能。初始化程序void init（）包括變量和常量的幅值和初值定義；定時(shí)中斷的初始化；串口初始化和液晶初始化。液晶顯示函數(shù)void display（）是為了在LCD1602顯示振幅和頻率。主程序void main（）是函數(shù)的主體。定時(shí)中斷函數(shù)是為了精準(zhǔn)的定位。

4.2 基于VHDL語言的程序流程

圖3為VHDL生成梯形波的程序圖。在使能端有效時(shí)，程序執(zhí)行。當(dāng)需要的信號(hào)都有效時(shí)，累加器工作，累加器判斷是否達(dá)到規(guī)定值M，如果達(dá)到，計(jì)數(shù)值清零，如果沒有，則計(jì)數(shù)值加上步長K。之后ROM表根據(jù)累加器的值對(duì)應(yīng)給出波形數(shù)據(jù)，并將其傳送到寄存器中，在下一個(gè)數(shù)據(jù)到來時(shí)將數(shù)據(jù)輸出到DAC。

4.3 使用Matlab軟件對(duì)CPLD進(jìn)行數(shù)字波形的仿真。

由于QuartusII進(jìn)行功能仿真后形成的波形不易看出波形的形狀，所以使用Matlab語言將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成Matlab中的波形曲線。利用QuartusII的表格文件（.tbl文件）仿真，即在功能仿真結(jié)束時(shí)，將波形文件另存為.tbl文件，然后再使用Matlab編寫程序進(jìn)行調(diào)用。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于DDS原理，在單片機(jī)和CPLD的基礎(chǔ)上的壓電陶瓷噴墨頭電壓驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案開發(fā)周期短，硬件連接簡(jiǎn)單，可控行比較好，能夠基本實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷噴墨頭電源驅(qū)動(dòng)。

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