嵌入式噴碼機圖形編輯軟件的研究與開發

王宏文，王志華，李曉燕

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

王宏文（教授），主要研究方向為現代傳動控制系統與智能化工程裝備、單片機與嵌入式系統。

引 言

噴碼機是一種通過軟件控制，使用非接觸方式在產品上進行標識的設備。它能夠以非接觸、高速、墨水快于的方式準確地在不同材料（如金屬、玻璃、塑料等）的物體表面噴印商標、防偽圖案、生產日期、保質日期、批號、規格、條形碼等標識。噴碼機一般均具備自動計數、時間日期自動更新等功能，廣泛應用于飲料、食品、煙酒、醫藥、化工、電子電器、鋁塑管材等行業。隨著噴碼機的普及，噴碼技術也呈現出智能化、人性化、中文化以及高處理能力和低維修率的趨勢。

本文通過測試8位單片機W77E58控制下的噴頭輸入／輸出波形，獲得噴頭工作原理，編寫噴頭的驅動程序，添加人機交互模塊，使噴碼機能夠在脫離上位機的情況下噴印信息。

1 圖形編輯軟件的關鍵技術

通過對噴碼機控制系統的研究，分析了在其實現過程中的關鍵技術，研究并設計關鍵技術的實現細節，包括上下位機數據傳輸方法、打印數據轉換算法、噴頭的控制。

1.1 打印數據的轉換

噴碼機噴頭接收的數據為電壓值矩陣，打印信息包含了數字、圖片、文字等，首先將打印信息經過一定的算法轉換成點陣數據，點陣數據中的點根據自己所處位置轉換成相應的電壓值，這些電壓值就是打印的時候所需的數據。

打印信息轉換成點陣信息需要借助于點陣字庫。點陣字庫是一個數據文件，在這個數據文件里面保存了漢字字符或者英文字符的點陣數據。點陣字庫是把每個字符都分成x×y個點，每個點的虛實用一個二進制位來表示，虛用0表示，實用1表示。漢字點陣字庫是根據區位碼的順序進行存儲的，因此可以根據區位碼來獲取一個字符的點陣在字庫中的存儲位置，獲取點陣起始存儲位置后，就可以從這個位置讀取出一個字符的點陣信息。例如若需要噴印一個16×16的中文漢字“好”，根據漢字點陣結構，“好”字的點陣結構如圖1所示，圖中左上角虛線中為該16×16點陣漢字的逐列掃描方式下的一個字節數據，其高低位的放置需要根據噴頭的串行接收數據方式相關，噴頭在接收128位數據時，高位在前，所以在提取圖像點陣數據時應把低位放在前面，該漢字點陣左上角虛線中的字節如圖1右半部分所示，其十六進制值為0x10。

圖1 漢字點陣

1.2 噴印數據的傳輸

噴頭接收噴印信息和反饋信息是通過串行通信完成的。串行通信需要專門的接口控制器，由于CPU與接口控制器之間按并行方式傳輸，接口控制器與外設之間按串行方式傳輸，因此在串行接口中，必須要有“接收移位寄存器”（串→并）和“發送移位寄存器”（并→串）。

RS－232的流控制分為兩種，分別是硬件流控制和軟件流控制。本文RS－232通信采用軟件流控制方式。實現軟件流控制，必須有接收緩沖，當接收端的輸入緩沖區內數據量超過設定的高位時，就向數據發送端發出XOFF字符，發送端收到XOFF字符后就立即停止發送數據，當接收端的輸入緩沖區內數據量低于設定的低位時，就向數據發送端發出XON字符。發送端收到XON字符后就立即開始發送數據。

WinCE下開發串口通信，首先打開串口并進行初始化。使用創建文件函數CreateFile打開指定的串口，以獲取串口操作句柄m＿hComm，如果打開成功，讀取串口的DCB結構體變量，根據需要通過DCB對串口進行相應的設置。調用函數SetupComn設置接收與發送的緩沖區大小，調用SetComnTimeouts函數設置串口接收與發送超時參數，用函數PurgeComn函數清除該串口的收發緩沖區。然后可以調用函數ReadFile和WriteFile對串口進行操作。串口使用函數CreateThread創建串口接收線程。以下為串口通信部分代碼：

1.3 噴頭的工作原理

本文主要涉及的硬件是由賽爾（XAAR）公司生產的XJ128按需噴印噴頭，噴頭前有一列共128個噴嘴，并以“二態”形式動作，即數據傳輸為1時噴墨，為0時不動作。其電氣接口共有30個引腳，但是其中有10個是保留接口，8個為電源和接地引腳。其他12個引腳為信號引腳。電氣接口與主控制電路的連接采用15針的RS232串行通信，為了方便操作和便于連接，其內部采用轉換電路，把30針引腳轉換為15針。以下為15針引腳的信號說明：

1 GNDH電源高壓地線

2 MISO輸出串口數據輸出

3 VDD電源5V邏輯供電

4 nRESET輸入驅動芯片邏輯復位

5 VPPH電源35V高壓供電

6 nFIRE輸入點火觸發信號

7 CLK輸入系統主時鐘

8 PHO輸入相位序列選取

9 SCK輸入時鐘信號，nSS2輸入 MOSI／MISOA芯片

10 選取芯片2

11 READY輸出“準備就緒”信號，nSS1輸入 MOSI／MISOA芯片

12 選取芯片1

13 MOSI輸入串口數據輸入

14 nFAULT輸出高溫預警信號

XJ128噴頭的內部有兩個64位的數據移位寄存器，通過MOSI引腳給噴頭傳輸數據時，當READY信號變為低電平時，先選中片選信號nSS2，128位數據中的高64位數據暫存在數據寄存器中，再選中片選信號nSS1，低64位數據存在另一個寄存器中。數據裝載完成后，就可以觸發nFIRE信號，使寄存器中的數據噴出。MOSI引腳配合SCK的上升沿就可將數據裝載到寄存器中。由于噴頭中的寄存器是雙緩沖移位寄存器，所以可以在噴印的同時，給寄存器裝載下一組要噴印數據。采用日本HIOKI 8855記憶示波器分組采樣對比15通道的信號波形，測試出通道信號如圖2所示，圖3為XJ128噴頭的控制時序圖。

圖2 通道信號測試圖（部分）

圖3 XJ128噴頭的控制時序圖

2 噴碼機軟件設計

本設計的軟件設計部分主要由驅動、應用程序設計組成，其系統軟件結構如圖4所示：

圖4 軟件結構圖

2.1 基于VS2005圖形界面的設計

上位機應用軟件作為用戶對系統進行人機交互操作的橋梁，是整個噴碼機系統中重要的一環。上位機應用軟件向用戶提供符合其操作習慣的友好界面，豐富的交互信息提示。根據噴碼機的特點，本系統的應用軟件主要包括三個子系統：編輯界面子系統、系統設置子系統、打印控制子系統。

2.1.1 編輯功能的設計

編輯界面的功能主要實現信息的創建，或對已有信息進行編輯。在編輯界面，用戶可以編輯自己想要打印的信息，可以在打印信息位置插入序列號，日期時間，文字，圖片等，可以對信息進行具體的設置，比如字體的格式、大小、信息反轉、打印次數。圖5為條形碼屬性編輯對話框。

圖5 條碼屬性編輯

2.1.2 打印控制功能的設計

打印控制功能主要包括打印速度的設定，打印噴頭的選擇，打印信息的狀態。有些信息并不是固定不變的，比如在信息中插入時間信息和序列號。這樣每條打印信息會隨著時間和打印信息條數實時改變。用戶可以通過打印信息界面清楚觀察到打印信息的變化情況，并且可以停止或者啟動當前打印、編輯當前打印信息或者重置打印計數器等操作。圖6為打印信息狀態窗口。

圖6 打印信息狀態

2.1.3 系統設置功能的設計

系統設置子系統提供一個噴碼機系統工作特性設置的界面，包括噴頭與串口選擇、語言文件的選擇等，如圖7所示。產品打印計數器設置界面可以選擇計數器、設置計數初值、累計值等參數。

圖7 系統選項

2.2 驅動程序設計

WinCE提供流式接口驅動程序管理流式設備。在流式接口驅動程序中，驅動程序負責把外設抽象成一個文件，而應用程序則使用操作系統提供的API對外設進行訪問。當系統啟動后，設備管理器就會枚舉［HKEY＿LOCAL＿MACHINE＼Drivers＼BuiltIn］下所有鍵值，并調用相應驅動的XXX＿Init函數。如果函數調用成功，設備管理器就會將該驅動的信息寫入［HKEY＿LOCAL＿MACHINE＼Drivers＼Active］。WinCE提供流式接口驅動程序管理流式設備。應用程序使用文件API對設備進行訪問，文件API被操作系統轉發到FileSys.exe進程中，然后FileSys.exe發現是對設備的操作，就會把執行交給設備管理器處理；接著設備管理器根據具體的請求，調用流式接口驅動程序中暴露的接口。最終，驅動程序負責與硬件交互。以下是驅動程序中部分函數：

驅動除了進行數據傳遞之外，還要向噴碼機提供時鐘信號，發出點火信號等，以下是與噴頭連接引腳的寄存器設置：

當系統不再使用該設備時，應用程序可調用DeactivateDevice（）函數把該驅動程序卸載。設備管理器會負責將sampledev.dll從device.exe的虛擬地址空間中移除，并且從 HKEY＿LOCAL＿MACHINE＼Drivers＼Active鍵下，移除對該設備驅動的記錄。

結 語

本文設計了一款基于S3C2440處理器和WinCE操作系統下的高解析噴碼機圖形編輯軟件。采用模塊化的編程分別實現了模塊的功能，并編寫了噴頭的驅動程序，界面設計簡潔美觀，便于用戶操作，具有很好的應用前景。

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