一種基于fpga技術(shù)的高速工業(yè)噴印控制系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及噴印設(shè)備控制系統(tǒng)及方法，具體地說是采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于 全印制電子領(lǐng)域的高速噴印控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全印制電子指在電子制造業(yè)行業(yè)中利用印制方法形成電子元器件和電路的一種 技術(shù)，其中發(fā)展最快的是利用噴墨打印技術(shù)在印刷電路板（PCB)上噴印導(dǎo)電線路、抗蝕刻 層、阻焊層或字符圖形，代替?zhèn)鹘y(tǒng)絲網(wǎng)印刷、化學(xué)蝕刻方法，減少生產(chǎn)工序、材料和環(huán)境污 染。目前全印制電子的噴印技術(shù)存在的一個(gè)主要問題是開發(fā)規(guī)?；a(chǎn)用的先進(jìn)噴印機(jī) 的控制系統(tǒng)，特別是在卷對(duì)卷柔性噴印工藝中，它要比普通噴印機(jī)復(fù)雜，而且對(duì)數(shù)據(jù)處理能 力、精度、速度和可靠性的要求更高。目前噴印機(jī)產(chǎn)品存在主要W下問題：
[0003] 在控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)與架構(gòu)方面，目前產(chǎn)品都是采用PC機(jī)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，將 數(shù)據(jù)通過串行總線（或其他總線方式）傳輸給噴印機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行噴印，在工業(yè)環(huán)境下，采 用邊打印邊傳輸?shù)姆绞剑垢蓴_能力差，甚至傳輸線需要跟隨噴頭板運(yùn)動(dòng)增加了干擾因素， 無法滿足超大數(shù)目噴頭陣列（1百W上）需海量、實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的要求。
[0004] 目前仍有很多噴印控制系統(tǒng)采用微處理器來實(shí)現(xiàn)噴印過程，微處理器指令串行執(zhí) 行的特點(diǎn)決定了它在對(duì)噴頭打印時(shí)序要求很高的系統(tǒng)中不是很適合，無法適應(yīng)更高的噴頭 點(diǎn)火頻率和打印數(shù)據(jù)吞吐速度。隨著技術(shù)發(fā)展，也出現(xiàn)了基于FPGA和運(yùn)動(dòng)軸控制卡的控制 系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制需要另外的PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，增加了控制復(fù)雜度和成本，不利于高速噴印。
[0005] 在運(yùn)動(dòng)控制和定位控制方面，噴印精度由運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)和定位精度決定，墨滴在 噴射時(shí)的狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度有關(guān)，同時(shí)落在基材上的位置和與噴頭的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，如果 在噴射過程中運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，會(huì)造成噴成的直線粗細(xì)不均勻。送就需要對(duì)運(yùn)動(dòng)和噴頭驅(qū)動(dòng)脈 沖的柔性控制，現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)此考慮較少。
[0006] 在單程噴印和海量數(shù)據(jù)處理方面，目前絕大多數(shù)噴印機(jī)采用多程噴印掃描方式， 由于噴頭數(shù)目較少，噴頭需沿基質(zhì)進(jìn)行橫向和縱向運(yùn)動(dòng)才能噴印整個(gè)基質(zhì)面。送樣的復(fù)雜 快速運(yùn)動(dòng)會(huì)造成供墨壓力波動(dòng)、產(chǎn)生不利的衛(wèi)星墨滴和軌跡軌跡偏移、供墨管道與控制電 路跟隨運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等弊端。只有增加噴頭陣列數(shù)目進(jìn)行單程噴印來提高效率，但增加噴 頭數(shù)目意味著增加控制的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)吞吐量，因此在大規(guī)模印刷電路板噴印生產(chǎn)中容易 出現(xiàn)噴印可靠性差、生產(chǎn)效率不高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述諸多不足，本發(fā)明的目的是一種基于FPGA技術(shù)的高 速工業(yè)噴印控制系統(tǒng)，其集成圖像處理、噴印控制與運(yùn)動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打印，替代 目前噴印機(jī)系統(tǒng)首先在PC機(jī)上進(jìn)行圖像處理后再傳輸給噴印機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行噴印的傳統(tǒng) 處理方式，突破了傳統(tǒng)噴印數(shù)據(jù)處理方式的速度瓶頸，支持超大數(shù)目噴頭陣列，特別適用 于工業(yè)卷對(duì)卷噴印工藝進(jìn)行單程噴印。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供一種高速工業(yè)噴印控制方法，采用一種噴印控制方法協(xié) 調(diào)調(diào)度功能子模塊實(shí)現(xiàn)噴印功能，克服累積定位誤差，進(jìn)行柔性加減速運(yùn)動(dòng)控制保證墨滴 噴射狀態(tài)，其方法簡(jiǎn)單，提供較好的噴印精度。可W控制設(shè)備W接近最高理論速度噴印，極 大地提高生產(chǎn)效率。
[0009] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于FPGA技術(shù)的高速工業(yè)噴 印控制系統(tǒng)與方法，包括主控模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)處理 模塊、光柵定位模塊、海量信息存儲(chǔ)模塊、噴頭時(shí)序模塊、執(zhí)行狀態(tài)檢測(cè)模塊和CCD處理模 塊；其中，
[0010] 主控模塊，與上述各個(gè)模塊連接，用于系統(tǒng)的初始化和調(diào)度控制；
[0011] 數(shù)據(jù)讀取模塊：連接主控模塊，讀取主控模塊發(fā)出的使能信號(hào)，并將存儲(chǔ)狀態(tài)發(fā)送 給主控模塊；連接圖像處理模塊，把要打印的圖像壓縮數(shù)據(jù)讀取到圖像處理模塊中；
[0012] 圖像處理模模塊；連接主控模塊和海量信息存儲(chǔ)模塊，在主控模塊的控制之下，對(duì) 圖像壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，使之轉(zhuǎn)換為需要的解壓縮灰度數(shù)據(jù)；
[0013] 海量信息存儲(chǔ)模塊；存儲(chǔ)通過圖像處理模塊得到的解壓縮灰度數(shù)據(jù)；連接主控模 塊，接收王虹板塊的存儲(chǔ)使能命令，向王虹板塊反饋存儲(chǔ)狀態(tài)；
[0014] 數(shù)據(jù)處理模塊：讀取海量信息存儲(chǔ)模塊中的解壓縮灰度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與變 換，使之能和打印機(jī)的噴頭相適應(yīng)，同時(shí)生產(chǎn)打印時(shí)所需要的控制信息和打印信息；
[0015] 噴印時(shí)序模塊：連接主控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；接收數(shù)據(jù)處理模塊的打印信息， 在主控模塊的噴頭控制及參數(shù)的控制下，產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)，下載噴頭數(shù)據(jù)，產(chǎn)生噴頭數(shù)據(jù)時(shí)鐘 及同步信號(hào)；
[0016] 運(yùn)動(dòng)虹制板塊，連接王虹板塊和光柵定位板塊，接收王虹板塊的電機(jī)虹制倍號(hào)及 參數(shù)，接收光柵定位模塊的光柵脈沖，對(duì)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)動(dòng)控制；
[0017] 光柵定位模塊：與外部光柵編碼器相連，進(jìn)行光柵信號(hào)處理和光柵分頻，解析光柵 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光柵脈沖計(jì)數(shù)編碼，將光柵脈沖傳送給主控模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，為系統(tǒng)提供定 位信息；
[0018] 執(zhí)行狀態(tài)檢測(cè)模塊；判斷各個(gè)模塊的執(zhí)行狀態(tài)，并傳送給主控模塊；
[0019] CCD處理模塊：接收外部CCD定位模塊的信息，將定位信號(hào)傳送給主控模塊，通過 主控模塊控制電機(jī)尋找起始位置。
[0020] 所述運(yùn)動(dòng)控制模塊在系統(tǒng)初始化時(shí)，實(shí)現(xiàn)X方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)作和尋起始參考位動(dòng)作； 高速打印時(shí)，實(shí)現(xiàn)加速、勻速、減速的運(yùn)動(dòng)曲線；實(shí)現(xiàn)X方向低速移動(dòng)；空閑時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清 洗動(dòng)作；低速運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離、自動(dòng)尋起始位、尋零位。
[0021] 所述數(shù)據(jù)讀取模塊包括相互連接的USB讀取模塊和存儲(chǔ)控制模塊，其中USB讀取 模塊用于讀取要打印的圖像壓縮數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)控制模塊把要打印的圖像壓縮數(shù)據(jù)讀取到圖像 處理模塊中的碼流讀入模塊。
[0022] 所述圖像處理模模塊包括順序連接的碼流讀入模塊、賭解碼解碼模塊、反量化、反 Zig-Zag模塊和IDCT模塊，主控模塊為碼流讀入模塊提供碼流讀入使能，IDCT模塊將解壓 縮灰度數(shù)據(jù)傳輸給海量信息存儲(chǔ)模塊。
[0023] 所述海量信息存儲(chǔ)模塊作為其他模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_器。
[0024] 所述數(shù)據(jù)處理模塊包括順序連接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、控制命令生成模塊和打印信 息、控制信息分離模塊；其中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊讀取海量信息存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)，受主控模塊 的轉(zhuǎn)換使能控制；打印信息、控制信息分離模塊將控制信息發(fā)送給主控模塊，將打印信息發(fā) 送給噴頭時(shí)序模塊。
[00巧]一種基于FPGA技術(shù)的高速工業(yè)噴印控制方法，在非單程模式下，包括W下步驟：
[0026] 當(dāng)系統(tǒng)上電后各個(gè)模塊都被復(fù)位，處于初始狀態(tài)；
[0027] 主控模塊內(nèi)部狀態(tài)機(jī)開始從初始狀態(tài)開始執(zhí)行，首先檢查USB是否有要打印的圖 像壓縮數(shù)據(jù)，若有則接收數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)圖像處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，處理圖片數(shù)據(jù)并生 成一串控制指令；
[0028] 啟動(dòng)伺服電機(jī)控制模塊使噴頭車前進(jìn)一段距離后返回系統(tǒng)初始點(diǎn)，系統(tǒng)處于工作 狀態(tài)，檢測(cè)外部使能噴印命令；
[0029] 讀取到外部使能噴印命令后，啟動(dòng)CCD定位模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊控制噴頭車低速 行進(jìn)，尋找噴印參考點(diǎn)；
[0030] 主控模塊開始讀取數(shù)據(jù)處理模塊生成的第一個(gè)控制指令，從參考點(diǎn)開始計(jì)算，主 控模塊根據(jù)噴印起始點(diǎn)參數(shù)通過運(yùn)動(dòng)控制模塊行進(jìn)至打印位置，進(jìn)入噴印過程；
[0031] 在噴印過程中，主控模塊每次讀取一個(gè)噴印指令，啟動(dòng)噴頭時(shí)序模塊從數(shù)據(jù)處理 模塊中接收打印信息，同時(shí)啟動(dòng)伺服模塊進(jìn)入曲線運(yùn)動(dòng)，伺服模塊根據(jù)一定的曲線控制小 車的升速、勻速、降速運(yùn)動(dòng)；
[0032] 在打印點(diǎn)火階段，光柵定位模塊根據(jù)光柵分頻、抽點(diǎn)等參數(shù)對(duì)光柵計(jì)數(shù)，噴頭時(shí)序 模塊讀取一次點(diǎn)火的數(shù)據(jù)鎖存至噴頭寄存器中，并發(fā)出點(diǎn)火控制脈沖，實(shí)現(xiàn)了一次點(diǎn)火打 ??；
[0033] -行數(shù)據(jù)打印完成后，伺服電機(jī)控制模塊控制電機(jī)進(jìn)入降速階段，同時(shí)步進(jìn)模塊 根據(jù)參數(shù)控制在垂直方向上行進(jìn)一定距離；小車降速停止后，執(zhí)行狀態(tài)檢測(cè)模塊，啟動(dòng)主控 模塊向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送動(dòng)作完成命令，系統(tǒng)等待數(shù)據(jù)處理模塊下次的命令；
[0034] 在單程模式下，包括W下步驟：
[0035] 當(dāng)系統(tǒng)上電后各個(gè)模塊都被復(fù)位，處于初始狀態(tài)；
[0036] 主控模塊內(nèi)部狀態(tài)機(jī)開始從初始狀態(tài)開始執(zhí)行，首先檢查USB是否有要打印的圖 像壓縮數(shù)據(jù)，若有則接收數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)圖像處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，處理圖片數(shù)據(jù)并生 成批量控制指令；
[0037] 檢測(cè)外部使能噴印命令，同時(shí)檢測(cè)是否有手動(dòng)步進(jìn)信號(hào)；
[0038] 讀取到外部的使能開始命令后，主控模塊讀取數(shù)據(jù)處理模塊生成的控制指令，該 控制指令已包含一次打印任務(wù)的所有參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制柔性基材勻速運(yùn)動(dòng)；
[0039] 在噴印過程中，主控模塊啟動(dòng)噴頭時(shí)序模塊實(shí)時(shí)讀取噴印數(shù)據(jù)；
[0040] 在打印點(diǎn)火階段，光柵定位模塊根據(jù)光柵分頻、抽點(diǎn)等參數(shù)對(duì)光柵計(jì)數(shù)，噴頭時(shí)序 模塊讀取一次點(diǎn)火的數(shù)據(jù)鎖存至噴頭寄存器中，并發(fā)出點(diǎn)火控制脈沖，實(shí)現(xiàn)了一次點(diǎn)火打 ??；
[0041] 一次打印任務(wù)完成后，步進(jìn)電機(jī)降速停止，執(zhí)行狀態(tài)檢測(cè)模塊，啟動(dòng)主控模塊向數(shù) 據(jù)處理模塊發(fā)送動(dòng)作完成命令，系統(tǒng)等待數(shù)據(jù)處理模塊下次的命令。
[0042] 所述主控模