基于DSP控制的USB接口速印机

１引言 　　

速印机（也称速印一体机）是指通过数字扫描，数码热敏头制版成像的方式进行工作，从而实现印刷速度在每分钟１００张以上的印刷设备。速印机印速快、成本低、耗电少、维护方便，使其广泛应用于经常大批量印刷的学校、机关中。所以近几年来国内外对速印机的研究也在不断升温。本文提出了一种将图像处理和电机控制功能集成于一片ＤＳＰ芯片内，并支持电脑直接打印输出功能的解决方案。

２　系统硬件组成 　　

本文设计的速印机的控制系统主要组成部分有：面板控制器（选用８０Ｃ５１单片机）、ＤＳＰ（选用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２）、ＦＰＧＡ（选用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８）、ＵＳＢ芯片（选用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３）、ＣＩＳ（接触式图像传感器）、ＴＰＨ（热敏打印头）、ＳＤＲＡＭ、按键、液晶显示器、电机、电磁开关、传感器等。其硬件结构框图如图１所示 　　图１　系统硬件结构框图 　　

３　工作原理 　　

仅使用速印功能时，其工作流程可分为制版和印刷两步。制版工作流程为：待制版键按下后，面板控制器将制版信号通过串口送至ＤＳＰ（数字信号处理器），ＤＳＰ通过中断响应制版信号，并启动扫描电机和ＤＳＰ片上的ＡＤＣ模块，同时ＤＳＰ通过握手信号告知ＦＰＧＡ（可编程逻辑门阵列）启动ＣＩＳ。ＦＰＧＡ产生ＣＩＳ的时钟信号ＣＬＫ、选通输入信号ＳＩ及各色光源选通信号，并通过这几个信号产生的相应时序控制ＣＩＳ通过模拟信号输出引脚ＳＩＧ向ＡＤＣ模块串行移位输出对应像素的灰度。ＤＳＰ把扫描到的图像数据通过γ补偿、滤波、二值化、数字半色调图像处理后，把数据存放在ＳＤＲＡＭ存储器中，并通过握手信号通知ＦＰＧＡ从ＳＤＲＡＭ存储器中提取光栅数据并控制热敏打印头将其烧写在版纸（也称蜡纸）上，制版结束。

印刷工作流程为：印刷按键按下后，版纸牵引电机和压版电机配合将版纸挂到滚筒上，此时油墨电机工作均匀上墨，待进纸电机把纸送到印刷区后，压纸电机把纸贴到滚筒上，主电机带动滚筒转一圈后，分离电机开始工作将纸从滚筒上剥离。　待纸张进入出纸区后，出纸电机和负压风机同时工作将纸送出，至此第一张纸印刷完成。印刷多张时就不用再制版了，直接印刷即可。

若使用电脑直接打印功能时，其工作流程为：电脑主机通过ＵＳＢ芯片把数据传给ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ通过产生相应的时序信号将数据存至ＳＤＲＡＭ存储器中，然后ＦＰＧＡ按行将数据烧写至版纸上。制版完成后，ＦＰＧＡ通过ＤＳＰ的外部中断引脚触发ＤＳＰ的外部中断，在ＤＳＰ的外部中断服务程序中，进行印刷流程。

４基于ＤＳＰ的电机控制 　　

ＴＩ公司的数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２片上集成了两个事件管理器模块（ＥＶＡ，ＥＶＢ）。每个事件管理器都包含通用目的定时器、全比较ＰＷＭ单元、捕捉单元和正交脉冲编码电路等，可同时方便的控制两部电机，专为多轴运动控制应用而设计。［１］　在本系统中两个事件管理器分别应用于控制三相无刷直流电机（主电机）和三相反应式步进电机（扫描电机）。

对三相无刷直流电机的控制采用了转速电流双闭环调速方式。其控制系统框图如图２ 　　图２　转速电流双闭环调速原理框图 　　

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的捕捉单元可以方便的捕捉编码器的脉冲信号，以形成速度反馈。其ＡＤＣ模块可以将霍尔电流传感器的模拟信号转换为数字值，以形成电流反馈。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的全比较ＰＷＭ单元使得产生ＳＶＰＷＭ（空间矢量脉冲宽度调制）的操作大大简化。双闭环调速方式提高了主电机（三相无刷直流电机）的控制精度。

步进电机具有如下特点：

（１）角位移与输入脉冲数成正比，无累积误差，具有良好的跟随性。

（２）动态响应快，易于起停、正反转及变速。

（３）速度可在宽范围内平滑调节，低速下仍能获得大转矩。

（４）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。三相反应式步进电机有三种工作方式：单三拍、双三拍和六拍工作方式。单三拍工作方式即是按Ａ－Ｂ－Ｃ方式循环通电；双三拍循环通电顺序为ＡＢ－ＢＣ－ＣＡ；六拍循环通电顺序为Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ（上述三种循环通电顺序均为正转方式）。［２］　三种工作方式中六拍工作方式相电流、转矩最大，高频性能最好，电磁阻尼大，不易产生振荡。所以本系统采用三相六拍工作方式控制步进电机。另外为了使步进电机更加稳定还使用了机械阻尼法，就是在电动机轴上加阻尼器。

５图像处理 　　

在仅使用速印功能时，其图像处理