摘 要:結(jié)合市場(chǎng)上基于熱發(fā)泡原理的640噴墨頭工作原理與損壞原因，設(shè)計(jì)了基于CPLD的640噴墨頭檢測(cè)儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該類型噴墨頭的快速檢測(cè)。該系統(tǒng)通過采樣噴嘴內(nèi)部加熱電阻值的方法來(lái)判斷噴墨頭的狀態(tài)。采用了Quartus Ⅱ仿真軟件對(duì)程序仿真，最后下載到線路板中對(duì)噴墨頭進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其檢測(cè)速度快，正確可靠，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

關(guān)鍵詞:CPLD; 640噴墨頭; 噴墨頭檢測(cè)儀; 加熱電阻

中圖分類號(hào):TP334.8+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0172-03

Design about Ink-jet Head Detector of Printer Based on CPLD

L Yun-peng，CUI Yu-juan，LI Chao

(Physics Engineering College， Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

Abstract:According to the working principle and reasons of breakdown of 640 ink-jet head with the principle of thermal foam in the market， the 640 ink-jet head detector based on CPLD was designed. The system can realize rapid detection for the ink-jet head. Through sampling the heating resistance in the nozzle， the status of the ink-jet head can be decided. The program is simulated by QuartusII and downloaded into the PCB so that the ink-jet heads are detected. The experimental results show that the system runs at high detecting speed with high reliability and accuracy， and it is economical and practical.

Keywords:CPLD; 640 ink-jet head; ink-jet head detector; heating resistance

0 引 言

目前市場(chǎng)上主要有兩類噴繪機(jī)，分別是熱法泡式噴繪機(jī)和微壓電式噴繪機(jī)[1]?；跓岚l(fā)泡原理的噴繪機(jī)由于打印圖像質(zhì)量高，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一直占有一席之地。噴繪機(jī)性能的重要兩個(gè)參數(shù)是打印速度和精度。為此，市場(chǎng)上的噴墨頭相繼出現(xiàn)了208噴墨頭，416噴墨頭，640噴墨頭等。640噴墨頭[2]相對(duì)于208噴墨頭與416噴墨頭，噴嘴數(shù)量多，噴墨速度快，可以達(dá)到較高的圖像分辨率。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀主要是測(cè)試640噴墨頭。噴墨頭造成打印圖像差的原因主要有兩方面:一是噴墨頭堵塞，這種基于熱發(fā)泡式原理[3]噴墨的墨盒，噴孔在向介質(zhì)噴墨時(shí)，總會(huì)在噴墨頭周圍殘留墨水，這部分墨水在空氣中干燥后慢慢使噴孔變小，堵塞噴孔，從而影響機(jī)器打印質(zhì)量。二是噴墨頭加熱電阻損壞，造成噴墨頭報(bào)廢影響打印質(zhì)量。對(duì)于第一種原因，用戶通過清洗可以使噴墨頭恢復(fù)到良好的工作狀態(tài)，但是對(duì)于第二種原因，由于國(guó)內(nèi)技術(shù)的限制，這種情況下噴墨頭很難修復(fù)，用戶只能根據(jù)噴嘴的損壞數(shù)量決定是否重新更換噴墨頭。由于目前市場(chǎng)上還沒有專對(duì)該型號(hào)的便攜式檢測(cè)儀，噴墨頭的生產(chǎn)廠商和用戶都不容易判斷噴墨頭的好壞。針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種快速簡(jiǎn)便檢測(cè)噴墨頭好壞的檢測(cè)儀，可以快速檢測(cè)噴頭是否存在不可修復(fù)的質(zhì)量問題。該檢測(cè)儀具有體積小，制造成本低，檢測(cè)速度快，工作穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)，可以滿足目前市場(chǎng)上的需求，對(duì)于提高相關(guān)單位工作效率有著重要意義。

1 640噴墨頭檢測(cè)原理

實(shí)驗(yàn)采用Lexmark公司的640噴墨頭墨盒以驗(yàn)證640噴墨頭的檢測(cè)原理。它的驅(qū)動(dòng)方式是串行輸入式，此墨盒共有640個(gè)噴嘴，分為兩列，有20個(gè)分區(qū)，兩條數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘作用下，送往墨盒內(nèi)部的移位寄存器，寄存器的地址即為區(qū)地址，當(dāng)給定的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)鎖存到指定的寄存器中，在加熱信號(hào)作用下，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的噴嘴。數(shù)據(jù)是以16位的方式傳輸，即對(duì)應(yīng)16個(gè)噴嘴，因此一個(gè)分區(qū)可以控制32個(gè)噴嘴。由區(qū)地址和數(shù)據(jù)可以確定640個(gè)噴嘴。根據(jù)噴墨頭的控制時(shí)序圖[4]，可以逐一向640個(gè)噴嘴送高脈沖信號(hào)，打開相應(yīng)噴嘴。圖1是單個(gè)噴嘴的原理示意圖，電源為5 V，當(dāng)DBITV為高電平時(shí)，MOS管打開，噴嘴內(nèi)加熱電阻通電。噴墨頭有公共地端GNDP，在此端與數(shù)字地之間接一個(gè)高精度小阻值的取樣電阻，通過檢測(cè)取樣電阻上的電壓值可以檢測(cè)噴墨頭的狀態(tài)。

圖1 單個(gè)噴嘴的電路原理

設(shè)加熱電阻為Rh，取樣電阻為Rs，本實(shí)驗(yàn)中取Rs為0.05 Ω的精密電阻，加熱電阻的電壓為Uh，待測(cè)電壓為Us，MOS管導(dǎo)通時(shí)的電壓為Um，則:

Uh+Um+Us=5

(1)

通過對(duì)正常噴頭的測(cè)試，可以得出n組取樣電阻上的電壓值Us0，Us1，Us2，…，Usn，從而算出該通路中的電流為:

Ii=Usi/0.05，i=0，1，…，n

(2)

由式(1)和式(2)可得:

Rhi=(5-Usi-Um)/Ii

(3)

取Rhi中的最大值Rhmax與最小值Rhmin作為加熱電阻正常的區(qū)間范圍，而待測(cè)電壓的取值范圍[Usmax ，Usmin ]乘以放大倍數(shù)后作為模擬比較電路的參考電壓上下限。

正常打印圖片時(shí)的噴墨頭電源電壓為11 V，本設(shè)計(jì)中640噴墨頭的電源電壓為5 V，這是因?yàn)樵谀胁粠闆r下檢測(cè)噴墨頭，若電壓過高，會(huì)燒壞噴墨頭;在墨盒帶墨水情況下檢測(cè)噴墨頭，若電壓過高，會(huì)將墨水噴出。

2 硬件電路

基于CPLD的640噴墨頭檢測(cè)系統(tǒng)主要由五部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 640噴墨頭檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)

考慮到開發(fā)周期，選用單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作[5]。由于噴墨頭的時(shí)序控制比較嚴(yán)格，時(shí)間單位是納秒級(jí)，CPLD工作速度快，延時(shí)可預(yù)測(cè)，提高了系統(tǒng)的性能，掉電后編程信息不丟失，保密性好[6]，因此選用CPLD來(lái)產(chǎn)生控制時(shí)序。CPLD選用Altera公司的EPM570T100C5N芯片，有570個(gè)邏輯單元，100個(gè)引腳，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。從硬件電路圖2可以看出整個(gè)系統(tǒng)的工作流程:單片機(jī)檢測(cè)到開關(guān)的“啟動(dòng)測(cè)試”信號(hào)后，該信號(hào)需轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓后輸入給CPLD，CPLD檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生一系列驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于噴墨頭信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，信號(hào)需要經(jīng)過3.3 V轉(zhuǎn)5 V的轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245DW，之后加在噴墨頭上，逐一打開噴嘴，取樣電阻上的電壓值通過放大電路將其毫伏級(jí)的信號(hào)放大，與參考電壓比較。若噴嘴狀態(tài)良好，比較電路輸出高電平，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)加1;若噴墨頭壞了，比較電路輸出低電平，單片機(jī)不產(chǎn)生中斷，不進(jìn)行計(jì)數(shù)。逐一檢測(cè)640個(gè)噴嘴后，將計(jì)數(shù)的最終結(jié)果，發(fā)送到LCD[7]控制器驅(qū)動(dòng)LCD顯示。

3 軟件編程

CPLD編程采用Verilog HDL語(yǔ)言[8]，邏輯設(shè)計(jì)采用自頂向下[9]，模塊化圖形編程，減少了程序代碼，便于模塊編寫與調(diào)試以及參數(shù)的修改與調(diào)整，可以從整體上對(duì)信號(hào)有清晰的把握。

3.1 時(shí)鐘分頻

系統(tǒng)采用的時(shí)鐘是24 MHz有源晶振作為外部輸入時(shí)鐘，抗干擾性強(qiáng)，信號(hào)質(zhì)量好。參數(shù)N是分頻系數(shù)，可以調(diào)整。經(jīng)分頻后時(shí)鐘輸出為Clk_s，頻率為24 MHz/N，作為其他模塊的時(shí)鐘輸入，如圖3所示。

圖3 基于CPLD的時(shí)鐘分頻模塊

3.2 噴頭驅(qū)動(dòng)時(shí)序模塊

邏輯設(shè)計(jì)模塊由四部分組成:檢測(cè)啟動(dòng)處理模塊、驅(qū)動(dòng)時(shí)序模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)數(shù)模塊。從而產(chǎn)生10個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)噴頭。

Clk_s作為模塊時(shí)鐘輸入，test_in信號(hào)是開始測(cè)試信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到該信號(hào)的上升沿時(shí)，復(fù)位一段時(shí)間，復(fù)位采用軟復(fù)位，然后產(chǎn)生噴墨頭驅(qū)動(dòng)時(shí)序，主要驅(qū)動(dòng)信號(hào)有:噴頭時(shí)鐘P_clk，以16個(gè)脈沖為一個(gè)周期;鎖存信號(hào)P_lock，一個(gè)噴頭時(shí)鐘周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)，用于對(duì)噴頭驅(qū)動(dòng)信號(hào)的鎖存;地址P_addr，由于數(shù)據(jù)量不大，用一個(gè)移位寄存器來(lái)依次存放20個(gè)區(qū)地址，在P_lock信號(hào)觸發(fā)下，改變地址，并在噴頭時(shí)鐘作用下將其并串轉(zhuǎn)化后一位一位輸出;有兩根數(shù)據(jù)線P_data1、P_data2，控制噴墨頭的兩列，數(shù)據(jù)以16位為單位，存放在移位寄存器中，在P_lock信號(hào)觸發(fā)下，改變寄存器中的內(nèi)容。在噴頭時(shí)鐘作用下，如數(shù)據(jù)為“0000 0000 0000 0001”，并串轉(zhuǎn)換后一位一位輸出，區(qū)地址和數(shù)據(jù)可以確定在每個(gè)噴頭時(shí)鐘周期內(nèi)只打開1個(gè)噴嘴;加熱信號(hào)P_heat1、P_heat2，在一個(gè)噴頭時(shí)鐘周期內(nèi)控制加熱信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，可以避免在檢測(cè)噴墨頭時(shí)裝有墨水的墨盒將墨水噴出或燒壞噴頭;片選信號(hào)P_cs1、P_cs2，控制選擇一列噴嘴工作，實(shí)驗(yàn)中將該信號(hào)始終置為高電平。

噴頭測(cè)試過程中，work_enale驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)為高電平，在這期間啟動(dòng)信號(hào)無(wú)效。當(dāng)640個(gè)噴嘴測(cè)試一遍后，work_enable為低電平，當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后，重新開始另一輪檢測(cè)。

計(jì)數(shù)模塊將取樣電阻上的電壓值經(jīng)比較后的信號(hào)輸入CPLD，通過在一次測(cè)試中，對(duì)其計(jì)數(shù)，來(lái)控制指示燈，當(dāng)640個(gè)噴嘴都正常時(shí)，P_nomal輸出高電平，驅(qū)動(dòng)指示燈亮。

程序頂層模塊如圖4所示。

圖4 基于CPLD的時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊

640噴墨頭內(nèi)嵌處理CPU，檢測(cè)第一列噴嘴時(shí)，向data1傳輸數(shù)據(jù)，將data2始終置為‘0’;第一列檢測(cè)完畢后，將data1置‘0’，開始向data2傳輸數(shù)據(jù)。

基于Quartus Ⅱ軟件[10]實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真圖如圖5所示。

圖5 時(shí)序仿真圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)實(shí)際效果，利用此電路系統(tǒng)檢測(cè)了噴墨頭640個(gè)噴嘴，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

選取了四個(gè)樣品，表1中實(shí)際噴嘴正常個(gè)數(shù)是在機(jī)器測(cè)試中觀察樣品打印圖線得出的。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出該系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果正確可靠。另外，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部功能時(shí)僅占用CPLD 芯片53%的資源，可以滿足高速穩(wěn)定的要求。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果

樣品號(hào)實(shí)際噴嘴正常個(gè)數(shù) /個(gè)本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)噴嘴正常個(gè)數(shù) /個(gè)

1502502

2533533

3635635

4640640

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的控制框架可以應(yīng)用于其他驅(qū)動(dòng)方式為串行輸入式的噴墨頭。通過上述實(shí)驗(yàn)和仿真以及最后做成成品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出該檢測(cè)儀結(jié)果準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定。在實(shí)際使用時(shí)，只需外部加一個(gè)墨盒探針卡槽，便可以做成便攜式的檢測(cè)儀，可以直接接觸測(cè)量。該儀器具有體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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