基于單片機和CPLD的壓電噴墨頭電壓驅動電源的設計

安曉磊

摘 要：壓電陶瓷噴墨頭控制電源中，在單片機和CPLD的基礎上，采用基于DDS原理產生的數字可控低壓脈沖激勵波形，經過集成運算放大器模塊放大生成所需要的高壓激勵脈沖。介紹了單片機和CPLD的工作原理，闡述了系統的硬件設計及軟件實現。該設計方案開發周期短，硬件連接簡單，能夠基本實現壓電陶瓷噴墨頭電源驅動。

關鍵詞：驅動控制；單片機；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，精度高等優點，對于數字噴墨印刷系統噴印質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對噴印質量產生影響，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，而驅動電源輸出激勵脈沖電壓的大小決定了壓電陶瓷片的形變量；激勵脈沖的頻率影響著陶瓷片的形變速度，因此驅動電源的性能決定了噴墨的質量。本文設計的是基于單片機和CPLD的壓電噴墨頭驅動電源系統，其中單片機和CPLD是核心處理芯片，基于DDS原理產生的數字可控低壓脈沖激勵波形，經集成放大模塊放大后以驅動。

2 驅動電源的硬件設計

該系統以宏晶科技生產的STC89C52RC單片機，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是驅動電源控制系統結構框圖。

在系統中，單片機作為主要控制器，基于DDS波形生成技術，由單片機和CPLD共同生成控制波形。單片機與計算機系統連接以實現數據通訊，CPLD和DAC在單片機控制下生成低壓的激勵脈沖，經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單片機和EPM240T100C5N CPLD

選用STC89C52RC單片機作為系統核心控制元件，其處理和存儲能力強，運行速度快，可為控制系統提供良好的硬件平臺。STC89C52RC單片機是基于8051的內核發展起來的，主要特性是加密性強不可解密；超強的抗干擾技術；功耗低；具有ISC在線編輯功能。

EPM240T100C5N CPLD芯片具有192個邏輯宏單元，可以滿足我們的開發要求；每一個芯片都內置8Kb的Flash存儲器，其中配置數據在存儲器內部，可進行在線編輯，使得當整個硬件系統設計完成后，計算機還可以通過ISP接口對CPLD進行重新配置。

2.2 基于DDS原理的波形生成電路

DDS指的是直接數字頻率合成技術。DDS具有超高頻率的分辨率；可以根據不同的波形數據形成任意波形。基于DDS原理，使用CPLD進行電路設計的波形生成電路是驅動電源的核心。圖2所示DDS的波形發生電路。由單片機向波形生成電路提供頻率控制字K，通過在一定的范圍內改變K的大小，進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。程序存儲器ROM是用來儲存波形數據的波形存儲器，ROM中存儲著波形的查找表，查找表中的對應地址隨著K值的變化而變化，查找表將地址信息所對應的波形幅度信息傳送到數模轉換芯片，DAC就可以將CPLD所生成的波形數據轉化成模擬波形，之后再經過濾波生成低壓的激勵脈沖。

3 系統硬件設計與實現

為了獲取滿足噴墨頭工作要求的激勵脈沖，需要設計完整的驅動電源硬件。驅動電源硬件系統包括單片機控制單元；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；串口轉換單元；噴墨頭的接口單元。前七個單元組合是為了實現振幅頻率數字可控的高壓激勵脈沖的輸出；最后一個單元可以完成數據信號與高壓脈沖激勵的匹配，處理有關于激勵脈沖的電信號；噴墨頭噴嘴的時序控制。單片機與計算機系統連接以實現數據通訊，主控電路由單片機控制CPLD和DAC生成低壓的激勵脈沖，低壓脈沖經過二階有源低通濾波器進行濾波后，由PA84放大器將其高壓線性放大成高壓脈沖，并送至噴頭驅動芯片，由驅動芯片控制噴墨頭的工作。

4 系統軟件設計與仿真

驅動電源的軟件設計包括在KeliuVison4中使用C語言對單片機的控制；在QuartusII環境中使用硬件描述語言VHDL對CPLD進行控制，以及使用Matlab軟件對CPLD進行數字波形的仿真。

4.1 單片機C語言主程序

單片機程序包含在頭文件#include中，其中包括了單片機的寄存器定義，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；定時中斷的初始化；串口初始化和液晶初始化。液晶顯示函數void display（）是為了在LCD1602顯示振幅和頻率。主程序void main（）是函數的主體。定時中斷函數是為了精準的定位。

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，程序執行。當需要的信號都有效時，累加器工作，累加器判斷是否達到規定值M，如果達到，計數值清零，如果沒有，則計數值加上步長K。之后ROM表根據累加器的值對應給出波形數據，并將其傳送到寄存器中，在下一個數據到來時將數據輸出到DAC。

4.3 使用Matlab軟件對CPLD進行數字波形的仿真。

由于QuartusII進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語言將仿真結果轉換成Matlab中的波形曲線。利用QuartusII的表格文件（.tbl文件）仿真，即在功能仿真結束時，將波形文件另存為.tbl文件，然后再使用Matlab編寫程序進行調用。

5 結束語

本文介紹了基于DDS原理，在單片機和CPLD的基礎上的壓電陶瓷噴墨頭電壓驅動電源系統，該設計方案開發周期短，硬件連接簡單，可控行比較好，能夠基本實現壓電陶瓷噴墨頭電源驅動。

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