摘要 按需噴印是當(dāng)前工業(yè)印刷行業(yè)新興的一種技術(shù)，正在逐步取代傳統(tǒng)的連續(xù)噴印技術(shù)。本文介紹按需噴印噴頭的特點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前工業(yè)噴印系統(tǒng)基本需求，結(jié)合包裝行業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種低成本的按需噴印系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。具體介紹了整個(gè)方案的設(shè)計(jì)思想以及軟硬件實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 工業(yè)噴印 XJ128 UPSD3254 時(shí)鐘芯片 USB

引言

　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，標(biāo)識(shí)技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。食品、飲料、煙酒、藥品及化妝品等包裝印刷企業(yè)需要頻繁或高速地將數(shù)字、條形碼、圖案或文字噴印于外包裝紙箱或其他物品上。小型噴碼設(shè)備移動(dòng)性強(qiáng)，能安裝在流水線(xiàn)的不同位置上，噴印時(shí)不接觸物體，并且能根據(jù)用戶(hù)的要求編輯、設(shè)置改變噴印的內(nèi)容。這使得小型的噴碼設(shè)備得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　目前，非接觸式小型噴碼機(jī)分為兩種:連續(xù)噴墨和按需噴墨。連續(xù)噴墨技術(shù)噴印速度快，但噴印質(zhì)量低；按需噴墨技術(shù)能?chē)娪≠|(zhì)量和分辨率高得多的畫(huà)面。英國(guó)XAAR公司生產(chǎn)的XJ128噴頭是一款典型的按需噴印噴頭，這種噴頭能以200 dpi的分辨率在諸如紙箱和管筒這類(lèi)多孔滲透和非多孔滲透性底基上進(jìn)行印刷，并可以使用油基、溶劑和紫外線(xiàn)固化等印墨。使用這種噴頭，將能以更快的速度噴印高質(zhì)量的圖形和文本[1]。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)噴碼機(jī)市場(chǎng)上，自主生產(chǎn)的只有連續(xù)式噴碼機(jī)，而按需噴印的噴碼機(jī)均是國(guó)外品牌，價(jià)格昂貴。自主開(kāi)發(fā)研制按需噴印噴碼機(jī)已成當(dāng)務(wù)之急。本文介紹按需噴印系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案。

表1  噴印系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格說(shuō)明

表2  PC機(jī)與從機(jī)的功能描述

1  整體設(shè)計(jì)

　　工業(yè)包裝噴印系統(tǒng)基本的功能要求如表1所列。

　　根據(jù)上述需求，系統(tǒng)分為主機(jī)PC和從機(jī)兩部分。各部分的主要功能如表2所列。

　　由表2可知，采用一塊單片機(jī)作為從機(jī)的主控制芯片足以滿(mǎn)足上述要求，而且價(jià)格低廉，可降低系統(tǒng)硬件成本。需要進(jìn)行大量運(yùn)算的圖像編輯和點(diǎn)陣數(shù)據(jù)生成的運(yùn)算，放在功能強(qiáng)大的PC機(jī)上操作，這樣不僅能快速進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，降低從機(jī)的成本，而且便于軟件的維護(hù)和升級(jí)。采用USB接口，使從機(jī)和PC機(jī)能方便的進(jìn)行通信，可大幅度提高使用操作的便利性。

2  硬件設(shè)計(jì)

　　從機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  噴碼系統(tǒng)從機(jī)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　采用UPSD3254單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片，液晶顯示和鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話(huà)的功能。EEPROM存儲(chǔ)噴印信息，時(shí)鐘芯片提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，包括年、月、日、時(shí)、分、秒，通過(guò)USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。檢測(cè)器和旋轉(zhuǎn)編碼器用于檢測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)上物體到來(lái)和測(cè)量物體位移。

　　UPSD3254是ST公司一款8051核的8位單片機(jī)，其內(nèi)部帶有PSD模塊，外部有豐富的I/O資源，內(nèi)部帶有大容量的Flash和RAM，能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)硬件資源的要求。此外，該芯片中帶有PSD模塊，可擴(kuò)展輸出以及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算，并且它自帶了USB1.1模塊，可大大簡(jiǎn)化硬件電路上的設(shè)計(jì)[2]，提高系統(tǒng)的可靠性，降低生產(chǎn)成本。LCD采用128×64的LCD模塊。EEPROM使用Atmel公司的AT24C1024，容量為1 Mb。采用I2C接口EEPROM能節(jié)省I/O資源。時(shí)鐘芯片使用DS1302[3]。采用這些常用芯片既能減少開(kāi)支，又可保證貨源充足。噴頭則采用XAAR公司的XJ128。

　　UPSD3254與EEPROM的接口連接如圖2所示。

圖2  EEPROM與UPSD3254的電路連接

　　UPSD3254與DS1302的硬件連接如圖3所示。

圖3  UPSD3254與時(shí)鐘芯片DS1302的電路連接

　　噴頭XJ128的硬件連接如圖4所示，74LS244用于提高UPSD3254的驅(qū)動(dòng)能力。

圖4  噴頭XJ128與UPSD3254的電路連接圖

3  軟件設(shè)計(jì)

　　軟件分為兩部分：PC上位機(jī)程序和設(shè)備程序，如圖5所示。

圖5  軟件框架

　　PC主要完成用戶(hù)對(duì)噴印圖像的編輯、管理以及傳輸。圖像的編輯包括編輯和修改由中文、英文和數(shù)字組成的文本；選擇字體的大小；編輯時(shí)間和貨物批號(hào)。圖像的管理包括保存編輯的圖像、調(diào)用已有的圖像。 PC與設(shè)備的通信由USB接口實(shí)現(xiàn)。

　　設(shè)備程序完成噴印參數(shù)設(shè)置、噴印圖像數(shù)據(jù)、圖像的管理以及與PC機(jī)的通信。參數(shù)的設(shè)置包括噴印觸發(fā)源、圖像噴印起始位置、圖像數(shù)據(jù)行之間的噴印延時(shí)、噴印的方式、系統(tǒng)時(shí)鐘和噴印號(hào)碼鏈。圖像的管理包括接收噴印圖像的存儲(chǔ)和刪除。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6  設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

　　設(shè)備系統(tǒng)分成3個(gè)狀態(tài)：操作狀態(tài)、噴印狀態(tài)和通信狀態(tài)。

　?。?）  操作狀態(tài)
　　響應(yīng)鍵盤(pán)操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，包括設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，圖像數(shù)據(jù)的刪除，圖像數(shù)據(jù)的調(diào)用和噴印，設(shè)備與PC通信啟動(dòng)按鍵。選擇“設(shè)備與PC通信啟動(dòng)”按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入通信狀態(tài)。選擇“噴印”按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入噴印狀態(tài)。

　?。?）  噴印狀態(tài)
　　將圖像數(shù)據(jù)輸出到噴頭噴印。根據(jù)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)將選中的圖像數(shù)據(jù)按固定的格式送給XJ128噴頭輸出。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)從RAM到噴頭的傳送；“停止噴印按鍵”將使系統(tǒng)返回操作狀態(tài),系統(tǒng)不響應(yīng)其他按鍵操作。噴印結(jié)束后返回操作狀態(tài)。在噴印過(guò)程中，如果檢測(cè)到噴頭溫度過(guò)高，系統(tǒng)將停止噴印操作，返回操作狀態(tài)。

　　（3）  通信狀態(tài)
　　與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)不響應(yīng)按鍵操作，通信成功則返回操作狀態(tài)。通信失敗，設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志，返回操作狀態(tài)。圖7給出了通信的程序流程。

圖7  通信主流程示意圖

4  系統(tǒng)效果

　　由此噴碼系統(tǒng)噴印出來(lái)的時(shí)間和編號(hào)效果如圖8和9所示。其中，圖8中的字體大小為64×64，圖9中字體大小為32×32。

圖8  64×64字體噴印效果　　　　　　　圖9  32×32字體噴印效果

5  小結(jié)

　　由于采用的是8051核的單片機(jī)，受總線(xiàn)和I/O資源的限制，此噴印系統(tǒng)的圖像存儲(chǔ)量不夠大，在以后可考慮用低成本的CPLD來(lái)擴(kuò)展。另外，此噴印系統(tǒng)只能控制一個(gè)XJ128噴頭，在以后的系統(tǒng)中可改進(jìn)為多個(gè)噴頭聯(lián)合噴印，這樣可以增加噴印的高度，并可噴印大畫(huà)面的圖案。

參考文獻(xiàn)

1  XJ128High Performance Ink Jet PrintheadGuid to Operation
2  UPSD325x.pdf
3  趙海蘭，朱劍，趙祥偉. DS1302實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的原理與應(yīng)用. 電子技術(shù), 2004(1)