可遠程控制型嵌入式噴碼機系統的設計與開發

郭坦，羅曉曙

（廣西師范大學電子工程學院，廣西桂林 541000）

社會生活水平的快速提升使得人們對食用及醫用產品的質量極為注重，在甄別日常用品的是否安全時，產品包裝的各種標識尤為關鍵。為了使產品易于追溯，噴碼機噴印技術在現代工業生產中充當著重要地位。更快、更好的噴印質量和更低的生產成本成為噴墨打印機系統發展的主要要求。目前市場上應用于流水線生產的噴碼機體型較大，系統構造復雜，而且大多噴碼機設備都是采用8/16 位單片機或ARM 單系統控制，其功能較單一[1-2]、噴印速度受限、出現問題時維修困難且維護成本高[3]。最主要的不足是，現有噴碼機設備無法進行遠程控制，在企業生產中每使用一臺噴碼機都需要配備人工實時進行操作，生產的智能化程度不夠，增加了人力成本，不能更好地滿足現代噴碼機高效生產的需求[4]。

據調研，為促進國內噴碼機制造技術的快速發展，實現企業生產制造智能化[5]，近年來已有眾多研究者投入噴碼機的研發，諸如文獻[6]中提出了一種基于ARM+CPLD 硬件平臺的高解析嵌入式噴碼機系統，依靠CPLD 實現對外圍IO 的擴展，但該數控系統設計方法比較傳統化，系統功能簡單，擴展性受限；文獻[7]中將嵌入式ARM9 技術應用在WINCE6.0系統中，通過采用獨立供電方式，設計出一種抗電磁干擾的電源電路，該設計方法雖然有效避免了電磁干擾，但該方案需要用到36、12、5、3.3 V 至少四種不同電源進行供電，不但增加了功耗，同時增大了開發成本。筆者調研發現目前對具有遠程控制的噴碼機研發還鮮見報道，市場上也未見相關產品。因此研究提出了一種新型可遠程控制的連續型小字符嵌入式噴碼機系統。使用三星公司ARM9 系列的Exynos4412 主處理器，搭配下位機STM32F103RCT6為輔控制器，控制器擴展外圍IO 設備，然后設計了ARM9 控制器運行操作系統實現遠程控制。同時設計了電源電路，開發了噴頭控制電路以及相位檢測電路。在軟件系統開發方面，搭建Ubuntu 編譯環境，制定出高適配度的Linux 最小運行系統，最后搭建出可遠程連接操控的Web 服務器boa[8]，開發出可對噴碼機系統進行遠程控制的操控系統。實現了針對噴碼機系統的智能動態控制要求，系統運行穩定，達到了智能控制的目的，具有廣泛的應用前景[9]。

1 系統的總體架構

傳統嵌入式系統設計過程中，通常采用“硬件優先”的原則，即先硬件后軟件的系統設計模式[10]。小字符噴碼機系統由硬件和軟件兩大部分組成。噴碼機控制系統由主控制器搭配輔控制器共同組成。主控制器主要搭載運行系統，外連人機交互系統、攝像頭模塊、網絡接口，并外設USB 接口。輔控制器連接墨路系統、旋轉電機、升降電機以及傳感器等。墨路系統又包含斷墨模塊、相位檢測模塊以及高壓偏轉模塊。噴碼機系統基本架構如圖1 所示。

圖1 噴碼機系統基本架構

各模塊兒功能簡述如下：遠程管理系統在網絡通信條件下通過Web 服務器對噴碼機系統進行IP訪問，對噴碼機進行遠程控制，實現噴印等功能；當操作人員在噴碼機旁時也可以通過噴碼機系統自帶的人機交互系統對噴碼機進行操作和設置。攝像頭與噴頭同方向安置，當噴碼機處于噴印狀態時攝像頭與噴頭一并工作，自動開啟錄像功能，對噴印過程進行監測，便于后續噴印質量的檢測。傳感器實現自動調節噴頭的目的，預先設定好噴印的角度和距離，傳感器進行實時的檢測，當噴印位移偏差大于設定數據時，系統根據傳感器上傳的實時數據自動調節噴頭位置。旋轉電機通過處理器反饋的信息對噴頭進行相應的調整。通過USB 接口連接計算機，進行日常檢修和維護等。斷墨模塊、相位檢測模塊以及高壓偏轉模塊實現噴印功能。

2 噴碼機系統硬件的設計

噴碼機系統的硬件部分主要由電源管理電路、墨滴充電電路、相位檢測電路以及高壓偏轉電路組成[11]。以Samsung ARM Cortex-A9 四核的Exynos 4412芯片作為主控制器，該芯片主頻為1.4～1.6 GHz。4412 具有1080p 顯示支技的HDMI 接口、ISP、USB 2.0 等所需的良好特性，且內建32 kB 數據/指令一級緩存，1 MB 的二級緩存[12]，這些特性在設計噴碼機系統時，對外圍設備的連接控制和數據傳輸提供了極佳的硬件支持。芯片內部GPU 采用400MP 四核圖形處理器，支持2D/3D 圖形加速，因人機交互系統的高清觸控屏上進行字符輸入和控制時能得到較靈敏反饋，利用該特性開發噴碼機的人機交互系統輸入及打印輸出效果較好。4412 芯片采用最新的32 nm HKMG 先進工藝制程。相比于舊款以及其他芯片45 nm 工藝，該款芯片功耗方面有了明顯的降低，即使是四核同等芯片測試下的功耗也比雙核的4210低了40%[13]，噴碼機長期待機狀態下的耗能極低，很大程度上降低了企業生產成本。噴碼機硬件系統總體框架如圖2 所示。

圖2 硬件系統的總體框架

2.1 電源電路的設計

該噴碼機系統的電源電路采用模塊化設計，由于噴碼機需長時間運作或處于待機狀態，系統工作的環境溫度一般較高。為了提高電路的抗電磁干擾能力，降低系統功耗，增加設備集成度使設備體積小巧化智能化，設計出了如圖3所示噴碼機電源電路。

圖3 噴碼機電源電路

噴碼機供電電路的設計流程：首先，噴碼機系統接入220 V 交流電壓，經過電源變壓器T1 進行初級降壓，生成兩組大約40 V 的交流低壓，再由二極管VD1-VD4 進行橋式整流。為了增強噴碼機的穩定性，還需要加上兩個47 μF 的電容形成濾波電路，一方面降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面還能保留供電系統所需的直流成分，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓[14]。該電源電路可以產生+24、+12、+5 以及-12 V 四個幅值的輸出電壓。使用三端穩壓器W7812 和W7912 進行穩壓輸出的±12 V 電壓為系統中各類放大器和數模轉換器DAC0800 供電；+5 V 電壓作為芯片供電電壓；+24 V 電壓供給交流振蕩器作為高壓偏轉電路的輸入電源。

2.2 墨路系統的硬件設計

連續型噴碼機最為精密的部分屬于墨路系統。墨路系統主要包含四個部分:墨水斷墨、墨滴充電、相位檢測、高壓偏轉。分別實現：使墨水流斷成墨滴；對墨滴進行充電；對墨滴進行帶電量的檢測；使墨滴進行位移偏轉。

2.2.1 墨滴充電電路的設計

墨滴充電電路的設計首先采用8 位精度的數模轉換器DAC0800 將STM32 處理器傳送的充電脈沖控制信號轉換為模擬信號，利用對DAC 模塊輸送脈沖控制信號，DAC 模塊產生控制充電的交流信號。具體電路設計如圖4 所示。DAC0800 是一款高速電流輸出型8 位數模轉換芯片，其響應時間約為100 ms，相應IO 接口與CMOS、PMOS、TTL 等兼容。VR+輸入信號由另一模數轉換電路產生，通過STM32 處理器產生不同的數字量實現對充電控制信號的控制。模塊DAC0800 選擇12 V 電源供電，負極連接電源模塊產生的-12 V電壓，并與一個10 nF的電容相連至comp 電流互補端，防止輸出電壓突變。由于DAC0800 轉換器輸出的模擬交流信號無法直接被驅動執行，因此，在此基礎上需外加一個高效低噪音運算放大器NE5534，NE5534 相比于傳統TL083 放大器而言，具有更好的噪聲性能、更高的外部驅動性能和更高的功率帶寬，可以實現對DAC0800 輸出的交流信號進行降噪和放大。在NE5534 的8 號輸出端口接一個補償電容降低自激，對輸出控制信號進行優化。最終OUT 輸出端的交流控制信號并入直流電源再經過放大電路調整為20～280 V 范圍的可控墨滴充電電壓。

圖4 墨滴充電模塊電路設計圖

2.2.2 相位檢測電路的設計

為了確保墨滴充電時刻與墨線分裂相同步，需要對墨滴進行帶電量的相位檢測。墨滴經過充電極板后是否帶有相應所需電荷量，噴碼機系統并不能對結果進行判斷，此時需要加入墨滴電荷檢測裝置，該檢測裝置外觀是一個較小的金屬頭，金屬頭后面連接信號線，金屬頭的橫截面是光滑的銅芯。檢測原理是利用靜電感應定律，當墨滴飛過金屬頭檢測極時，橫截面就會產生感應電荷，通過信號線將靜電感應生成的電荷量傳輸至CPU，系統通過CPU 的反饋信息自動調節充電極板的控制電壓，進行充電量的自適應調整[15]。相位檢測電路如圖5 所示。

圖5 相位檢測模塊電路設計圖

具體地，為防止墨滴帶電量突變對電路造成損壞，并聯兩個二極管D5 和D9，限制集成運放輸入端的差模輸入電壓，不超過兩個二極管的導通電壓，起到反向輸入保護的作用。當帶電墨滴從相位檢測金屬頭表面穿過時，金屬頭表面產生感應電荷，感應電荷量通過連接線傳送給LF353 差分運算放大電路進行放大。為防止當輸入信號頻率升高而造成電容的容抗減小，降低信噪比，該設計在回路中接入電阻R73、R69和R66與微分電路串聯，在反饋回路中接入電容C39和C37與微分電路并聯，抑制了高頻噪聲，對相位進行了補償，提高了電路的穩定性。最后信號經過六路施密特觸發反相器74HC14，進行波形整型，使緩慢變化的信號轉換為清晰、無顫動的規則變化的數字信號。規則變化的數字信號傳至CPU 處理器進行逐級調整相位余裕，并不斷進行充電測試，使每一級相位值都將得到對應的充電值。

2.2.3 高壓偏轉電路的設計

當墨滴經過斷墨、充電、相位檢測后，墨滴帶有一定的電荷量，通過對墨滴外加一對高壓偏轉電場，控制墨滴的飛行路徑和偏移位置。為方便通過軟件程序對墨滴的落點位置自動調整，需要由控制電路的小信號對高壓產生模塊進行控制，打開或關閉高壓的產生。根據該系統的設計要求，高壓偏轉電路的設計原理是通過外加電源電路產生的24 V 直流電壓，經過555 交流振蕩電路變為9 V 的交流電。同時為防止功率太小、驅動能力不足，設計時添加了OTL功率放大電路。在脈沖信號的控制下，經過升壓器生成峰值為1 000 V 的交流電，最后通過10 倍高壓整流模塊，置換出墨滴進行偏轉所需的10 000 V 偏轉高壓。偏轉高壓生成流程圖及交流振蕩電路和變壓整流電路分別如圖6-8 所示。

圖6 高壓生成流程圖

圖7 交流振蕩及升壓電路

圖8 10倍壓整流電路

3 噴碼機系統軟件的設計

噴碼機系統軟件的設計主要包含兩大部分：根據功能所需對Linux 運行系統進行裁剪、配置和編譯；設計了可遠程控制的噴碼機管理系統，并闡述了該系統的登錄界面。

3.1 Linux運行系統的定制

為了降低功耗，避免CPU 資源的浪費，根據噴碼機具體功能的需求，需要一系列的裁剪和配置，并編譯出適配遠程控制的噴碼機Linux 操作系統。Linux系統編程是基于Linux 內核之上的應用程序的編程，通過系統函數和庫函數調用Linux 的內核資源，進而實現噴碼機系統具體業務邏輯和噴碼機系統的數據處理以及噴印等功能[16]。通過配置工具menuconfig對噴碼機系統的內核進行配置，打開噴碼機系統所需的USB、串口UART、網卡、攝像頭以及電機等相關驅動支持，并刪除噴碼機系統不需要的驅動功能。最后把編譯生成的鏡像文件移植到核心板供系統運行使用。

3.2 遠程控制系統的設計

實現噴碼機的遠程控制是利用遠程PC 端網頁控制界面進行完成的，其主要包含Web 服務器的搭建和控制程序的設計兩部分。

3.2.1 Web服務器的搭建

該設計用到的通信服務器為小型Web 服務器boa，該服務器支持CGI(Common Gateway Interface)外部應用擴展程序的編程，并適合于嵌入式系統的http 服務器，因具有小巧高效、源代碼開放、低功耗且占用CPU 資源少等優點，常用來處理嵌入式系統的通信任務，能夠為CGI 程序fork 出單獨一個進程來執行相應的客戶請求，適合在遠程PC 端發送相應的控制指令。

通過CGI 編程編寫外部擴展應用程序，使用HTML 編程編寫網頁控制界面，在Ubuntu12.04 系統中搭建Web 服務器boa，將搭建好的服務器boa 在編譯環境中進行配置和編譯，生成可執行程序boa，再將編譯生成的可執行程序移植到文件系統中，使嵌入式噴碼系統開機自動運行可進行遠程通信的boa程序。然后在遠程PC 端通過網頁輸入噴碼系統的IP 地址，遠程PC 端網頁就會打開能對噴碼系統進行控制的界面。Web 服務器運行流程如圖9 所示。

圖9 Web服務器搭建及工作流程圖

3.2.2 噴碼機控制程序的設計

該設計要實現對噴碼機的遠程控制需要用到CGI 編程，即通用網關界面，通過CGI 程序的運行可以使噴碼機的應用程序在boa 網絡服務器下運行。具體地，用戶通過Web 瀏覽器對噴碼機進行IP 訪問，形成的HTTP 請求通過瀏覽器發送到Web服務器，Web 服務器守護進程接收到該請求后會創建一個CGI 的子進程，該子進程將CGI 請求的有關數據設置成環境變量，然后根據get 鏈接方式啟動指定的CGI 處理程序從環境變量中讀取數據，處理后經Web 服務器送回瀏覽器顯示給用戶[17]。CGI 應用程序可以由大多數的編程語言編寫，如PERL（Practical Extraction and Report Language)、CC++、Java 和Visual Basic 等。該設計用C 語言進行CGI 程序的編寫，主要完成了獲取遠程PC 端Web網頁提交過來的對噴碼機進行操作的數據指令，然后對服務器獲取的數據指令進行解析，最后對噴碼機系統的I/O 通信進行管理，并調用相關函數對噴碼機進行控制和操作。圖10 為噴碼機控制程序的工作流程圖。

圖10 噴碼機控制程序工作流程圖

4 系統的測試

在遠程PC 端網頁對噴碼機系統數據的輸入和開始噴印控制進行測試。首先，將編寫好的網頁腳本程序index_web.html 和噴碼機控制程序ink-jet.cgi移植到噴碼機文件系統，再將文件系統燒錄到噴碼機系統中。編寫的部分網頁測試代碼如下所示：

系統正常運行后，在遠程PC 端瀏覽器中輸入噴碼機的IP 地址后，就會得到如圖11 所示控制界面，先點擊信息輸入按鈕，然后點擊submit 按鈕就可進入到一個待噴印信息輸入的界面，然后再點擊開始噴印，服務器端就會處理收到的信息，鏈接相應的CGI 程序，CGI 程序對表單提交的信息進行分析，最后CPU 調用ioctl 函數實現噴頭噴印功能。

圖11 Web遠程網頁控制界面簡圖

5 結束語

該研究簡要介紹了基于雙ARM 架構噴碼機的優點以及嵌入式噴碼機系統的軟硬件要求，重點介紹了電源電路的設計以及墨路系統中的墨滴充電電路、相位檢測電路和高壓偏轉電路的設計。同時設計出支持遠程PC 端網頁操作的噴碼機系統，能夠實現企業流水線智能化生產，同時為當今疫情環境下無接觸居家遠程辦公提供了技術支持。后續，在設計的基礎上仍可以對噴碼機系統進一步完善，可以實現同時操控多臺噴碼機設備的遠程控制系統。

該設計無論是在食品包裝噴印還是電子設備的標識噴印，都有極好的應用前景，噴印高效，節省生產成本。同時在特殊環境下可以實現無接觸、不停工遠程噴印生產。