一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统与方法技术方案

本发明专利技术提供本发明专利技术一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统与方法，具体应用于工业全印制电子领域。其集成图像处理、喷印控制与运动控制功能，实现全自动打印，替代目前喷印机系统首先在PC机上进行图像处理后再传输给喷印机控制系统进行喷印的传统处理方式，突破了传统喷印数据处理方式的速度瓶颈，支持超大数目喷头阵列，特别适用于工业卷对卷喷印工艺进行单程喷印。采用一种喷印控制方法协调调度功能子模块实现喷印功能，克服累积定位误差，进行柔性加减速运动控制保证墨滴喷射状态，其方法简单，提供较好的喷印精度。可以控制设备以接近最高理论速度喷印，极大地提高生产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统与方法
本专利技术涉及喷印设备控制系统及方法，具体地说是采用FPGA技术实现并应用于全印制电子领域的高速喷印控制系统及方法。
技术介绍
全印制电子指在电子制造业行业中利用印制方法形成电子元器件和电路的一种技术，其中发展最快的是利用喷墨打印技术在印刷电路板(PCB)上喷印导电线路、抗蚀刻层、阻焊层或字符图形，代替传统丝网印刷、化学蚀刻方法，减少生产工序、材料和环境污染。目前全印制电子的喷印技术存在的一个主要问题是开发规模化生产用的先进喷印机的控制系统，特别是在卷对卷柔性喷印工艺中，它要比普通喷印机复杂，而且对数据处理能力、精度、速度和可靠性的要求更高。目前喷印机产品存在主要以下问题：在控制系统实现技术与架构方面，目前产品都是采用PC机进行图像数据处理，将数据通过串行总线(或其他总线方式)传输给喷印机控制系统进行喷印，在工业环境下，采用边打印边传输的方式，抗干扰能力差，甚至传输线需要跟随喷头板运动增加了干扰因素，无法满足超大数目喷头阵列(1百以上)需海量、实时获取数据的要求。目前仍有很多喷印控制系统采用微处理器来实现喷印过程，微处理器指令串行执行的特点决定了它在对喷头打印时序要求很高的系统中不是很适合，无法适应更高的喷头点火频率和打印数据吞吐速度。随着技术发展，也出现了基于FPGA和运动轴控制卡的控制系统，运动控制需要另外的PC机软件实现，增加了控制复杂度和成本，不利于高速喷印。在运动控制和定位控制方面，喷印精度由运动控制状态和定位精度决定，墨滴在喷射时的状态与运动平稳度有关，同时落在基材上的位置和与喷头的运动速度有关，如果在喷射过程中运动不平稳，会造成喷成的直线粗细不均匀。这就需要对运动和喷头驱动脉冲的柔性控制，现有产品对此考虑较少。在单程喷印和海量数据处理方面，目前绝大多数喷印机采用多程喷印扫描方式，由于喷头数目较少，喷头需沿基质进行横向和纵向运动才能喷印整个基质面。这样的复杂快速运动会造成供墨压力波动、产生不利的卫星墨滴和轨迹轨迹偏移、供墨管道与控制电路跟随运动结构复杂等弊端。只有增加喷头阵列数目进行单程喷印来提高效率，但增加喷头数目意味着增加控制的复杂度和数据吞吐量，因此在大规模印刷电路板喷印生产中容易出现喷印可靠性差、生产效率不高的问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述诸多不足，本专利技术的目的是一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其集成图像处理、喷印控制与运动控制功能，实现全自动打印，替代目前喷印机系统首先在PC机上进行图像处理后再传输给喷印机控制系统进行喷印的传统处理方式,突破了传统喷印数据处理方式的速度瓶颈，支持超大数目喷头阵列，特别适用于工业卷对卷喷印工艺进行单程喷印。本专利技术的另一目的是提供一种高速工业喷印控制方法，采用一种喷印控制方法协调调度功能子模块实现喷印功能，克服累积定位误差，进行柔性加减速运动控制保证墨滴喷射状态，其方法简单，提供较好的喷印精度。可以控制设备以接近最高理论速度喷印，极大地提高生产效率。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统与方法，包括主控模块、运动控制模块、数据读取模块、图像处理模块、数据处理模块、光栅定位模块、海量信息存储模块、喷头时序模块、执行状态检测模块和CCD处理模块；其中，主控模块，与上述各个模块连接，用于系统的初始化和调度控制；数据读取模块：连接主控模块，读取主控模块发出的使能信号，并将存储状态发送给主控模块；连接图像处理模块，把要打印的图像压缩数据读取到图像处理模块中；图像处理模模块：连接主控模块和海量信息存储模块，在主控模块的控制之下，对图像压缩数据进行解压缩，使之转换为需要的解压缩灰度数据；海量信息存储模块：存储通过图像处理模块得到的解压缩灰度数据；连接主控模块，接收主控模块的存储使能命令，向主控模块反馈存储状态；数据处理模块：读取海量信息存储模块中的解压缩灰度数据，进行数据处理与变换，使之能和打印机的喷头相适应，同时生产打印时所需要的控制信息和打印信息；喷头时序模块：连接主控模块和数据处理模块；接收数据处理模块的打印信息，在主控模块的喷头控制及参数的控制下，产生点火信号，下载喷头数据，产生喷头数据时钟及同步信号；运动控制模块，连接主控模块和光栅定位模块，接收主控模块的电机控制信号及参数，接收光栅定位模块的光栅脉冲，对伺服电机和步进电机实现柔性运动控制；光栅定位模块：与外部光栅编码器相连，进行光栅信号处理和光栅分频，解析光栅信号，实现光栅脉冲计数编码，将光栅脉冲传送给主控模块和运动控制模块，为系统提供定位信息；执行状态检测模块：判断各个模块的执行状态，并传送给主控模块；CCD处理模块：接收外部CCD定位模块的信息，将定位信号传送给主控模块，通过主控模块控制电机寻找起始位置。所述运动控制模块在系统初始化时，实现x方向运动动作和寻起始参考位动作；高速打印时，实现加速、匀速、减速的运动曲线；实现x方向低速移动；空闲时，实现自动清洗动作；低速运动中实现控制步进电机运动距离、自动寻起始位、寻零位。所述数据读取模块包括相互连接的USB读取模块和存储控制模块，其中USB读取模块用于读取要打印的图像压缩数据，存储控制模块把要打印的图像压缩数据读取到图像处理模块中的码流读入模块。所述图像处理模模块包括顺序连接的码流读入模块、熵解码解码模块、反量化、反Zig-Zag模块和IDCT模块，主控模块为码流读入模块提供码流读入使能，IDCT模块将解压缩灰度数据传输给海量信息存储模块。所述海量信息存储模块作为其他模块之间数据传输的缓冲器。所述数据处理模块包括顺序连接的数据转换模块、控制命令生成模块和打印信息、控制信息分离模块；其中，数据转换模块读取海量信息存储模块中的数据，受主控模块的转换使能控制；打印信息、控制信息分离模块将控制信息发送给主控模块，将打印信息发送给喷头时序模块。一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制方法，在非单程模式下，包括以下步骤：当系统上电后各个模块都被复位，处于初始状态；主控模块内部状态机开始从初始状态开始执行，首先检查USB是否有要打印的图像压缩数据，若有则接收数据，然后启动图像处理模块和数据处理模块，处理图片数据并生成一串控制指令；启动伺服电机控制模块使喷头车前进一段距离后返回系统初始点，系统处于工作状态，检测外部使能喷印命令；读取到外部使能喷印命令后，启动CCD定位模块和运动控制模块控制喷头车低速行进，寻找喷印参考点；主控模块开始读取数据处理模块生成的第一个控制指令，从参考点开始计算，主控模块根据喷印起始点参数通过运动控制模块行进至打印位置，进入喷印过程；在喷印过程中，主控模块每次读取一个喷印指令，启动喷头时序模块从数据处理模块中接收打印信息，同时启动伺服模块进入曲线运动，伺服模块根据一定的曲线控制小车的升速、匀速、降速运动；在打印点火阶段，光栅定位模块根据光栅分频、抽点等参数对光栅计数，喷头时序模块读取一次点火的数据锁存至喷头寄存器中，并发出点火控制脉冲，实现了一次点火打印；一行数据打印完成后，伺服电机控制模块控制电机进入降速阶段，同时步进模块根据参数控制在垂直方向上行进一定距离；小车降速停止后，执行状态检测模块，启动主控模块向数据处理模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，包括主控模块、运动控制模块、数据读取模块、图像处理模块、数据处理模块、光栅定位模块、海量信息存储模块、喷头时序模块、执行状态检测模块和CCD处理模块；其中，主控模块，与上述各个模块连接，用于系统的初始化和调度控制；数据读取模块：连接主控模块，读取主控模块发出的使能信号，并将存储状态发送给主控模块；连接图像处理模块，把要打印的图像压缩数据读取到图像处理模块中；图像处理模模块：连接主控模块和海量信息存储模块，在主控模块的控制之下，对图像压缩数据进行解压缩，使之转换为需要的解压缩灰度数据；海量信息存储模块：存储通过图像处理模块得到的解压缩灰度数据；连接主控模块，接收主控模块的存储使能命令，向主控模块反馈存储状态；数据处理模块：读取海量信息存储模块中的解压缩灰度数据，进行数据处理与变换，使之能和打印机的喷头相适应，同时生产打印时所需要的控制信息和打印信息；喷印时序模块：连接主控模块和数据处理模块；接收数据处理模块的打印信息，在主控模块的喷头控制及参数的控制下，产生点火信号，下载喷头数据，产生喷头数据时钟及同步信号；运动控制模块，连接主控模块和光栅定位模块，接收主控模块的电机控制信号及参数，接收光栅定位模块的光栅脉冲，对伺服电机和步进电机实现柔性运动控制；光栅定位模块：与外部光栅编码器相连，进行光栅信号处理和光栅分频，解析光栅信号，实现光栅脉冲计数编码，将光栅脉冲传送给主控模块和运动控制模块，为系统提供定位信息；执行状态检测模块：判断各个模块的执行状态，并传送给主控模块；CCD处理模块：接收外部CCD定位模块的信息，将定位信号传送给主控模块，通过主控模块控制电机寻找起始位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，包括主控模块、运动控制模块、数据读取模块、图像处理模块、数据处理模块、光栅定位模块、海量信息存储模块、喷头时序模块、执行状态检测模块和CCD处理模块；其中，主控模块，与上述其他模块连接，用于系统的初始化和调度控制；数据读取模块：连接主控模块，读取主控模块发出的使能信号，并将存储状态发送给主控模块；连接图像处理模块，把要打印的图像压缩数据读取到图像处理模块中；图像处理模块：连接主控模块和海量信息存储模块，在主控模块的控制之下，对图像压缩数据进行解压缩，使之转换为需要的解压缩灰度数据；海量信息存储模块：存储通过图像处理模块得到的解压缩灰度数据；连接主控模块，接收主控模块存储的使能命令，向主控模块反馈存储状态；数据处理模块：读取海量信息存储模块中的解压缩灰度数据，进行数据处理与变换，使之能和打印机的喷头相适应，同时生成打印时所需要的控制信息和打印信息；喷头时序模块：连接主控模块和数据处理模块；接收数据处理模块的打印信息，在主控模块发出的喷头控制信号及参数的控制下，产生点火信号，下载喷头数据，产生喷头数据时钟及同步信号；运动控制模块，连接主控模块和光栅定位模块，接收主控模块的电机控制信号及参数，接收光栅定位模块的光栅脉冲，对伺服电机和步进电机实现柔性运动控制；光栅定位模块：与外部光栅编码器相连，进行光栅信号处理和光栅分频，解析光栅信号，实现光栅脉冲计数编码，将光栅脉冲传送给主控模块和运动控制模块，为系统提供定位信息；执行状态检测模块：判断各个模块的执行状态，并传送给主控模块；CCD处理模块：接收外部CCD定位模块的信息，生成定位信号并传送给主控模块，通过主控模块控制电机寻找起始位置。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，所述运动控制模块在系统初始化时，实现x方向运动动作和寻起始参考位动作；高速打印时，实现加速、匀速、减速的曲线运动动作；实现x方向低速移动；空闲时，实现自动清洗动作；低速运动中实现控制步进电机运动距离、自动寻起始位、寻零位。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，所述数据读取模块包括相互连接的USB读取模块和存储控制模块，其中USB读取模块用于读取要打印的图像压缩数据，存储控制模块把要打印的图像压缩数据读取到图像处理模块中的码流读入模块。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，所述图像处理模块包括顺序连接的码流读入模块、熵解码模块、反量化、反Zig-Zag模块和IDCT模块，主控模块为码流读入模块提供码流读入使能，IDCT模块将解压缩灰度数据传输给海量信息存储模块。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，所述海量信息存储模块作为其他模块之间数据传输的缓冲器。6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统，其特征在于，所述数据处理模块包括顺序连接的数据转换模块、控制命令生成模块和打印信息、控制信息分离模块；其中，数据转换模块读取海量信息存储模块中的数据，受主控模块的转换使能控制；打印信息、控制信息分离模块将控制信息发送给主控模块，将打印信息发送给喷头时序模块。7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA技术的高速工业喷印控制系统的控制方法，其特征在于，在非单程模式下，包括以下步骤：当系统上电后各个模块都被复位，处于初始状态；主控模块内部状态机开始从初始状态开始执行，首先检查USB是否有要打印的图像压缩数据，若有则接收数据，然后启动图像处理模块和数据处理模块，处理图片数据并生成一串控制指令；启动伺服电机控制模块使喷头车前进一段距离后返回系统初始点，系统处于工作状态，检测外部使能喷印命令；读取到外部使能喷印命令后，启动CCD定位模块和运动控制模块控制喷头车低速行进，寻找喷印参考点；主控模块开始读取数据处理模块生成的第一个控制指令，从参考点开始计算，主控模块根据喷印起始点参数通过运动控制模块行进至打印位置，进入喷印过程；在喷印过程中，主控模块每次读取一个喷印指令，启动喷头时序模块从数据处理模块中接收打印信息，同时启动伺服模块进入曲线运动，伺服模块根据一定的曲线控制喷头车的升速、匀速、降速运动；在打印点火阶段，光栅定位模块根据光栅分频、抽点等参数对光栅计数，喷头时序模块读取一次点火的数据储存至喷头寄存器中，并发出点火控制脉冲，实现了一次点火打印；一行数据打印完成后，伺服电机控制模块控制电机进入降速阶段，同时步进电机控制模块根据参数控制在垂直方向上行进一定距离；喷头车降速停止后，执行状态检测模块，启动主控模块向数据处理模块发送动作完成命令，系统等待数据处理模块下次的命令；在单程模式下，包括以下步骤：当系统上电后各个模块都被复位，处于初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：马连博，朱云龙，刘金鑫，库涛，张磊，刘博洋，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21