ZYNQ-7000處理器的高速字符噴印系統設計

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(廣東正業科技股份有限公司，東莞 523808)

引 言

絲網印刷在印制電路板行業是一個傳統工藝，在進行絲印前需要制作網版，一般需要經歷如下步驟：絲網選擇、網框選擇、拉網、洗網、涂布、干燥、曝光、顯影。絲網印刷雖在大批量生產上效率比較高，但也存在很多不足：對于精細化圖案印刷層次效果較差；不同圖案需要重新制作網版或更換網版，對于小批量或個性化印刷生產成本高，周期長；油墨消耗量大且存在污染；對線路板存在脹縮的情況適應能力差，網版本身無法根據線路板脹縮情況進行調整，會導致圖案局部偏位，嚴重時油墨會印刷到焊盤上導致產品不良；智能化程度較低，不能實現個性化打印，如可變的序列號、二維碼等。

本文設計了一種基于ZYNQ-7000的數字化噴墨打印系統，用于解決絲網印刷的不足。系統采用ZYNQ-7000為核心控制平臺，相對于傳統的以單片機、FPGA、DSP為核心的平臺，提高了系統的集成度，大大節約了系統面積，降低了成本，增強了系統穩定性，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。

1 系統總體方案

設計采用Xilinx公司推出的ZYNQ-7000微處理器作為主控制器負責整個數控系統的任務管理與調度。PC首先將設計圖紙轉換為二進制位圖數據，然后通過千兆以太網傳送到ZYNQ-7000控制器，控制器將接收的數據進行解析和變換，其中噴印數據發送到噴頭驅動模塊進行噴墨控制，運動控制信息發送到MCX314進行運動控制。噴印數據與運動控制通過光柵尺信號進行同步，即將坐標與數據進行同步，噴印啟動后開啟UV燈，將噴出的油墨進行快速固化，最終將圖像打印到印制電路板上。系統總體方案如圖1所示。

圖1 系統總體方案

2 系統硬件平臺設計

字符噴印系統應用于印制電路板加工現場，使用環境比較復雜，需要充分考慮系統的穩定性和可靠性。其中，可靠的硬件系統是軟件系統運行的物理基礎，關系著整個噴印控制系統性能的好壞，硬件結構如圖2所示，ZYNQ-7020集成了1路千兆網口、DDR控制器、FPGA邏輯單元、NEON高性能媒體引擎，非常適合工業應用。

2.1 ZYNQ-7020控制模塊

Xilinx Zynq-7020 集成兩個主頻高達1 GHz的ARM Cortex-A9內核和FPGA，即內部包含兩大功能模塊：處理系統(Processing System，PS) 和可編程邏輯(Progarmmable Logic，PL)。每個內核都配有NEON高性能媒體引擎進行浮點運算，可用于數學運算或者視頻編碼或解碼。PS配有AMBA開放總線互聯端口，可以通過 AXI 片內高速總線互聯與PL 通信，帶寬速度高達100 Gbps。PS帶有DDR內存控制器硬核，支持最大1 GB地址空間，支持DDR3、DDR3L、DDR2 等多種內存，適合用作系統的高速存儲。ZYNQ通過網絡接口接收PC的數據后，將數據分類解析為配置參數、噴印數據、噴印坐標信息。

(1)配置參數

噴頭初始化：PS通過AXI-GPIO總線將配置參數發送到噴頭控制器，設定噴頭各通道工作電壓、工作溫度。

運動控制器初始化：PS通過AXI總線控制MCX314，將X軸、Y軸、Z軸電機歸零，設定電機運行速度、加速度、插補方式。

UV燈初始化：PS通過EMIO總線配置UV燈控制器，設定工作電壓。

(2)噴印數據

ZYNQ的PS部分根據實際印制電路板Mark點坐標對圖像數據進行處理，處理完成后的數據發送到噴頭驅動模塊，數據流程圖如圖3所示。

(3)噴印坐標信息

ZYNQ的PS部分根據位圖坐標信息和Mark點坐標計算出圖元的絕對坐標，將坐標信息發送到MCX314，完成定位。

2.2 MCX314運動控制模塊

MCX314是一個基于DSP的4軸運動控制的集成電路。通過這個集成電路可以控制由步進電機驅動器或由脈沖型伺服電機驅動4軸的位置、速度和插補。MCX314所有功能都是由特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和配置寄存器等。PS通過AXI總線控制與訪問PL內部的運動控制器模塊，PL與MCX314接口電路圖如圖4所示。

圖4 PL與MCX314接口電路

圖3 數據流程圖

在實際應用中用到了其中的3軸(X軸、Y軸、Z軸)，X軸用于驅動噴頭橫向移動，Y軸用于驅動平臺縱向移動，Z軸用于驅動噴頭上下移動。因控制精度要求在0.02 mm以內，選用恒速控制，該功能允許在不同插補進行轉換時保持運動速度不變，另外對X軸和Y軸進行直線插補，直線插補流程如圖5所示。電機選用三菱HG-MR13B,對應的驅動器選三菱MR-J4系列。

圖5 直線插補流程

2.3 噴頭驅動模塊

噴頭驅動模塊由PL部分的噴頭控制器和硬件電路兩部分組成，本設計采用日本柯尼卡公司生產的壓電式按需供墨KM1024噴頭，單個噴頭打印寬度為72 mm，分辨率為360 dpi，噴嘴數量為1024個，發射頻率最大為12.8 kHz。本設計使用4個噴頭，增加了一次打印幅面寬度，提升了打印效率，其噴頭排列結構如圖6所示。

圖6 噴頭排列結構

(1)噴頭控制器設計

噴頭控制器由PL部分采用邏輯門實現，產生驅動噴頭的時序和將噴印數據發送到噴頭。噴頭驅動時序如圖7所示，數據傳輸時序如圖8所示。

圖7 噴頭驅動時序

圖8 數據傳輸時序

(2)噴頭驅動電路設計

噴頭驅動電路用于給噴頭提供電源啟動順序，調節工作電壓，采集噴頭溫度、電壓，接口示意圖如圖9所示。

圖9 噴頭驅動電路接口示意圖

柯尼卡KM1024噴頭對上電時序有嚴格要求，其電壓有5種類型，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。對應上電時序如圖10所示。

圖10 上電時序

序 號電壓類型要求/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

本設計X軸使用光柵尺進行閉環控制，提高了定位精度和運行速度的平穩以及圖像打印的均勻性和精度。位置速度模塊采用ZYNQ的PL部分實現，主要任務包括對光柵尺的脈沖信號進行采集、處理和分析，得到噴頭的位置、速度和運動方向信號，然后將這些信號反饋給運動控制器和數據處理模塊，使噴頭運動與噴墨協同工作，組成一個高速、高精的噴墨控制系統。位置速度模塊結構如圖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A和信號B，產生4倍頻脈沖信號Q，根據A/B兩路信號的相位差，計算噴頭的移動方向dir。位置計算模塊計算噴頭的實時位移。速度計算模塊計算噴頭的運動速度。倍頻辨向模塊直接處理光柵尺信號，其性能直接影響到整個系統的精度。光柵尺發出A/B脈沖信號，相位差為π/ 2 ，為了提高精度，通常將A/B信號4倍頻處理，本設計將4倍頻信號命名為Q，每個完整A/B 脈沖信號對應1 μm，每個4倍頻脈沖信號對應0.25 μm。

3 系統軟件設計

根據設計的硬件結構，在Vivado上搭建系統，ZYNQ的PS核通過AXI總線和I2C總線訪問PL部分的IP核，進行數據傳輸和控制交互。

ZYNQ的PS部分運行Ubuntu Linux操作系統，整個DDR3作為Linux系統的內存。ZYNQ的PL部分采用Verilog編寫，兩者通過AXI總線進行數據交互。上電后，PS核加載Flash文件到DDR3并啟動應用程序，自檢外設是否正常，自檢完成后啟動網絡連接，數據通過以太網發送到ZYNQ控制系統并進行數據校驗。數據分為配置參數和噴印數據，配置參數用于外設初始化，在噴頭運動到相應坐標處后，噴印數據發送給噴頭進行噴墨，直至整個圖像噴墨完成，軟件運行流程如圖12所示。

圖12 軟件運行流程

4 測試及分析

測試選用印制電路板gbr文件中的絲印層，通過PC機的人機交互軟件將gbr文件轉換為二進制數據，油墨選用日本太陽的UV固化油墨，設定打印速度為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。參數設定完成后將打印的圖像數據發送給ZYNQ噴墨系統，由噴墨系統完成圖像打印，絲印層文件如圖13所示，噴印效果如圖14所示，對比打印圖像與原文件，兩者在大小和內容上完全一致，且打印圖像清晰。

圖13 絲印文件

圖14 噴印效果圖

結 語