ZYNQ-7000處理器的高速字符噴印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(廣東正業(yè)科技股份有限公司，東莞 523808)

引 言

絲網(wǎng)印刷在印制電路板行業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)工藝，在進(jìn)行絲印前需要制作網(wǎng)版，一般需要經(jīng)歷如下步驟：絲網(wǎng)選擇、網(wǎng)框選擇、拉網(wǎng)、洗網(wǎng)、涂布、干燥、曝光、顯影。絲網(wǎng)印刷雖在大批量生產(chǎn)上效率比較高，但也存在很多不足：對(duì)于精細(xì)化圖案印刷層次效果較差；不同圖案需要重新制作網(wǎng)版或更換網(wǎng)版，對(duì)于小批量或個(gè)性化印刷生產(chǎn)成本高，周期長(zhǎng)；油墨消耗量大且存在污染；對(duì)線路板存在脹縮的情況適應(yīng)能力差，網(wǎng)版本身無(wú)法根據(jù)線路板脹縮情況進(jìn)行調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致圖案局部偏位，嚴(yán)重時(shí)油墨會(huì)印刷到焊盤(pán)上導(dǎo)致產(chǎn)品不良；智能化程度較低，不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化打印，如可變的序列號(hào)、二維碼等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZYNQ-7000的數(shù)字化噴墨打印系統(tǒng)，用于解決絲網(wǎng)印刷的不足。系統(tǒng)采用ZYNQ-7000為核心控制平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的以單片機(jī)、FPGA、DSP為核心的平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的集成度，大大節(jié)約了系統(tǒng)面積，降低了成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，外加ZYNQ-7000配備了雙核ARM Cortex-A9處理器，其噴墨速度快，易于維護(hù)。

1 系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)采用Xilinx公司推出的ZYNQ-7000微處理器作為主控制器負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)管理與調(diào)度。PC首先將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制位圖數(shù)據(jù)，然后通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳送到ZYNQ-7000控制器，控制器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和變換，其中噴印數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行噴墨控制，運(yùn)動(dòng)控制信息發(fā)送到MCX314進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。噴印數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)光柵尺信號(hào)進(jìn)行同步，即將坐標(biāo)與數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，噴印啟動(dòng)后開(kāi)啟UV燈，將噴出的油墨進(jìn)行快速固化，最終將圖像打印到印制電路板上。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

字符噴印系統(tǒng)應(yīng)用于印制電路板加工現(xiàn)場(chǎng)，使用環(huán)境比較復(fù)雜，需要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其中，可靠的硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，關(guān)系著整個(gè)噴印控制系統(tǒng)性能的好壞，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，ZYNQ-7020集成了1路千兆網(wǎng)口、DDR控制器、FPGA邏輯單元、NEON高性能媒體引擎，非常適合工業(yè)應(yīng)用。

2.1 ZYNQ-7020控制模塊

Xilinx Zynq-7020 集成兩個(gè)主頻高達(dá)1 GHz的ARM Cortex-A9內(nèi)核和FPGA，即內(nèi)部包含兩大功能模塊：處理系統(tǒng)(Processing System，PS) 和可編程邏輯(Progarmmable Logic，PL)。每個(gè)內(nèi)核都配有NEON高性能媒體引擎進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，可用于數(shù)學(xué)運(yùn)算或者視頻編碼或解碼。PS配有AMBA開(kāi)放總線互聯(lián)端口，可以通過(guò) AXI 片內(nèi)高速總線互聯(lián)與PL 通信，帶寬速度高達(dá)100 Gbps。PS帶有DDR內(nèi)存控制器硬核，支持最大1 GB地址空間，支持DDR3、DDR3L、DDR2 等多種內(nèi)存，適合用作系統(tǒng)的高速存儲(chǔ)。ZYNQ通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接收PC的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分類(lèi)解析為配置參數(shù)、噴印數(shù)據(jù)、噴印坐標(biāo)信息。

(1)配置參數(shù)

噴頭初始化：PS通過(guò)AXI-GPIO總線將配置參數(shù)發(fā)送到噴頭控制器，設(shè)定噴頭各通道工作電壓、工作溫度。

運(yùn)動(dòng)控制器初始化：PS通過(guò)AXI總線控制MCX314，將X軸、Y軸、Z軸電機(jī)歸零，設(shè)定電機(jī)運(yùn)行速度、加速度、插補(bǔ)方式。

UV燈初始化：PS通過(guò)EMIO總線配置UV燈控制器，設(shè)定工作電壓。

(2)噴印數(shù)據(jù)

ZYNQ的PS部分根據(jù)實(shí)際印制電路板Mark點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

(3)噴印坐標(biāo)信息

ZYNQ的PS部分根據(jù)位圖坐標(biāo)信息和Mark點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出圖元的絕對(duì)坐標(biāo)，將坐標(biāo)信息發(fā)送到MCX314，完成定位。

2.2 MCX314運(yùn)動(dòng)控制模塊

MCX314是一個(gè)基于DSP的4軸運(yùn)動(dòng)控制的集成電路。通過(guò)這個(gè)集成電路可以控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)4軸的位置、速度和插補(bǔ)。MCX314所有功能都是由特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和配置寄存器等。PS通過(guò)AXI總線控制與訪問(wèn)PL內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)控制器模塊，PL與MCX314接口電路圖如圖4所示。

圖4 PL與MCX314接口電路

圖3 數(shù)據(jù)流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中用到了其中的3軸(X軸、Y軸、Z軸)，X軸用于驅(qū)動(dòng)噴頭橫向移動(dòng)，Y軸用于驅(qū)動(dòng)平臺(tái)縱向移動(dòng)，Z軸用于驅(qū)動(dòng)噴頭上下移動(dòng)。因控制精度要求在0.02 mm以內(nèi)，選用恒速控制，該功能允許在不同插補(bǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)保持運(yùn)動(dòng)速度不變，另外對(duì)X軸和Y軸進(jìn)行直線插補(bǔ)，直線插補(bǔ)流程如圖5所示。電機(jī)選用三菱HG-MR13B,對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器選三菱MR-J4系列。

圖5 直線插補(bǔ)流程

2.3 噴頭驅(qū)動(dòng)模塊

噴頭驅(qū)動(dòng)模塊由PL部分的噴頭控制器和硬件電路兩部分組成，本設(shè)計(jì)采用日本柯尼卡公司生產(chǎn)的壓電式按需供墨KM1024噴頭，單個(gè)噴頭打印寬度為72 mm，分辨率為360 dpi，噴嘴數(shù)量為1024個(gè)，發(fā)射頻率最大為12.8 kHz。本設(shè)計(jì)使用4個(gè)噴頭，增加了一次打印幅面寬度，提升了打印效率，其噴頭排列結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 噴頭排列結(jié)構(gòu)

(1)噴頭控制器設(shè)計(jì)

噴頭控制器由PL部分采用邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)噴頭的時(shí)序和將噴印數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭。噴頭驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖7所示，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖8所示。

圖7 噴頭驅(qū)動(dòng)時(shí)序

圖8 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

(2)噴頭驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

噴頭驅(qū)動(dòng)電路用于給噴頭提供電源啟動(dòng)順序，調(diào)節(jié)工作電壓，采集噴頭溫度、電壓，接口示意圖如圖9所示。

圖9 噴頭驅(qū)動(dòng)電路接口示意圖

柯尼卡KM1024噴頭對(duì)上電時(shí)序有嚴(yán)格要求，其電壓有5種類(lèi)型，分別為控制模塊電壓Vdd、邏輯接口電壓Logic、墨路工作電壓VDDA、加熱電壓VH1、加熱電壓VH2，電壓幅值要求如表1所列。對(duì)應(yīng)上電時(shí)序如圖10所示。

圖10 上電時(shí)序

序 號(hào)電壓類(lèi)型要求/V1控制模塊電壓Vdd+3.32邏輯接口電壓Logic+3.33墨路工作電壓VDDA+244加熱電壓VH1

2.4 位置速度模塊

本設(shè)計(jì)X軸使用光柵尺進(jìn)行閉環(huán)控制，提高了定位精度和運(yùn)行速度的平穩(wěn)以及圖像打印的均勻性和精度。位置速度模塊采用ZYNQ的PL部分實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)包括對(duì)光柵尺的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，得到噴頭的位置、速度和運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)，然后將這些信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器和數(shù)據(jù)處理模塊，使噴頭運(yùn)動(dòng)與噴墨協(xié)同工作，組成一個(gè)高速、高精的噴墨控制系統(tǒng)。位置速度模塊結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 位置速度模塊

4倍頻及辨向模塊采集光柵尺信號(hào)A和信號(hào)B，產(chǎn)生4倍頻脈沖信號(hào)Q，根據(jù)A/B兩路信號(hào)的相位差，計(jì)算噴頭的移動(dòng)方向dir。位置計(jì)算模塊計(jì)算噴頭的實(shí)時(shí)位移。速度計(jì)算模塊計(jì)算噴頭的運(yùn)動(dòng)速度。倍頻辨向模塊直接處理光柵尺信號(hào)，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度。光柵尺發(fā)出A/B脈沖信號(hào)，相位差為π/ 2 ，為了提高精度，通常將A/B信號(hào)4倍頻處理，本設(shè)計(jì)將4倍頻信號(hào)命名為Q，每個(gè)完整A/B 脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)1 μm，每個(gè)4倍頻脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)0.25 μm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)，在Vivado上搭建系統(tǒng)，ZYNQ的PS核通過(guò)AXI總線和I2C總線訪問(wèn)PL部分的IP核，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制交互。

ZYNQ的PS部分運(yùn)行Ubuntu Linux操作系統(tǒng)，整個(gè)DDR3作為L(zhǎng)inux系統(tǒng)的內(nèi)存。ZYNQ的PL部分采用Verilog編寫(xiě)，兩者通過(guò)AXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。上電后，PS核加載Flash文件到DDR3并啟動(dòng)應(yīng)用程序，自檢外設(shè)是否正常，自檢完成后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到ZYNQ控制系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。數(shù)據(jù)分為配置參數(shù)和噴印數(shù)據(jù)，配置參數(shù)用于外設(shè)初始化，在噴頭運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)坐標(biāo)處后，噴印數(shù)據(jù)發(fā)送給噴頭進(jìn)行噴墨，直至整個(gè)圖像噴墨完成，軟件運(yùn)行流程如圖12所示。

圖12 軟件運(yùn)行流程

4 測(cè)試及分析

測(cè)試選用印制電路板gbr文件中的絲印層，通過(guò)PC機(jī)的人機(jī)交互軟件將gbr文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，油墨選用日本太陽(yáng)的UV固化油墨，設(shè)定打印速度為400 mm/min、噴頭溫度為50 ℃、噴頭電壓為13.5 V、噴頭高度為1.5 mm。參數(shù)設(shè)定完成后將打印的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給ZYNQ噴墨系統(tǒng)，由噴墨系統(tǒng)完成圖像打印，絲印層文件如圖13所示，噴印效果如圖14所示，對(duì)比打印圖像與原文件，兩者在大小和內(nèi)容上完全一致，且打印圖像清晰。

圖13 絲印文件

圖14 噴印效果圖

結(jié) 語(yǔ)