基于主控STM32控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計噴繪系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

由于噴繪機噴繪過程中采用的是壓電噴頭工作原理，為保證噴繪出圖像清晰細(xì)膩，噴繪機需要在同一溫度下提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓對壓電晶體進(jìn)行控制。如何在精準(zhǔn)的條件下根據(jù)室內(nèi)溫度實時、快速、方便地更改驅(qū)動電壓和配置數(shù)據(jù)值得研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計理念

噴頭的驅(qū)動電壓VDD2（t）取決于噴頭容積電壓Vrank、基于不同廠家不同顏色的油墨粘滯度而提供每色油墨與標(biāo)準(zhǔn)油墨的修正值Voffset電壓、不同顏色的油墨在不同溫度下需要的驅(qū)動電壓補償值Vdiff（t），即VDD2（t）=Vrank+Voffset+Vdiff（t）。不同顏色的油墨在不同的溫度下驅(qū)動電壓的補償值Vdiff（t），稱之為T-V數(shù)據(jù)。

不同廠家油墨溫壓數(shù)據(jù)不同，廠家會根據(jù)每種墨水的種類和顏色在出廠前給出一組關(guān)于墨水在不同溫度下的電壓補償值，根據(jù)噴頭墨腔內(nèi)部墨水溫度變化動態(tài)地調(diào)整每個噴頭的驅(qū)動電壓以保證噴射出的墨水點滴大小一致、視覺效果更清晰。為防止在掉電的情況下數(shù)據(jù)丟失和避免不小心更改，數(shù)據(jù)通常存儲在只讀存儲器中。EEPROM存儲量有限又需存儲不同種類的T—V數(shù)據(jù)時，可以將數(shù)據(jù)通過算法［2］進(jìn)行壓縮后存儲在ROM中。當(dāng)今市場噴繪機數(shù)量越來越多，出于對噴繪機性能考略，本設(shè)計在溫壓數(shù)據(jù)讀取時避免使用算法降低速度，借助嵌入式經(jīng)典的“空間換時間”理論，以日本精工集團的IRH1513D噴頭為研究對象，在24C16EEPROM中存儲配置數(shù)據(jù)。每次初始化后通過I2C通信機制讀數(shù)據(jù)，工作時噴頭需要更新電壓時通過DMA方式快速傳送溫度數(shù)值（A/D轉(zhuǎn)化值），迅速更新噴頭所需驅(qū)動電壓。過程中發(fā)現(xiàn)噴頭工作有誤差時借助顯示工具設(shè)置按鍵對其校驗，過程中適當(dāng)改進(jìn)運算形式來提高噴頭控制系統(tǒng)效率。

2 基于系統(tǒng)的硬件設(shè)計

圖1為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)建構(gòu)。從圖可看出設(shè)計中以STM32為主控，選取支持I2C通信機制、2 KB存儲量的24C16EEPROM作為外部存儲器，主控中集成的I2C 2的時鐘線SCL（PB10引腳）和SDA線（PB11引腳）與EEPROM的SCL和SDA分別通過外接一個上拉4.7 k？贅電阻連接。設(shè)計中主控集成I2C 2作為外部數(shù)據(jù)存儲器的時鐘和數(shù)據(jù)的發(fā)送，24c16EEPROM作為從設(shè)備，選取200 kHz的讀取速度。通過主控中的I/O口讀取溫度模擬量，顯示調(diào)整數(shù)據(jù)時采用UART或128x64LCD，采用128x64的靜態(tài)LCD主要方便客戶使用，研發(fā)者主要使用UART進(jìn)行校正，外擴按鍵為了校驗誤差或測試噴頭狀態(tài)等。上電開始和結(jié)束時需給噴頭發(fā)送開關(guān)波形數(shù)據(jù)、命令，工作時讀取噴頭的狀態(tài)需要實時更改主控PWM即補償電壓。系統(tǒng)中硬件按鍵消抖在主控中延時實現(xiàn)，通過按鍵可進(jìn)入校驗、T-V數(shù)據(jù)輸入、噴頭測試狀態(tài)。為快速處理數(shù)據(jù)，主控內(nèi)A/D轉(zhuǎn)化值借助DMA傳輸方式。

控制系統(tǒng)采用一個主控STM32控制一個噴頭形式，所以外存儲上不需存儲墨水的顏色和控制噴頭型號等數(shù)據(jù)，噴頭采用日本精工集團的IRH1513D。系統(tǒng)上電初始化后，主控通過I2C通信機制把24C16EEPROM作為從設(shè)備讀取噴頭Vrank容積電壓、溫壓曲線、開關(guān)波形等數(shù)據(jù)。而且此程序中使用容積電壓Vrank、Voffset和ADCValOff以十倍進(jìn)行存儲運算，每個數(shù)據(jù)定義2 B即16 bit。綜合考略24C16EEPROM外存儲單元，地址分配設(shè)計為：地址0x00~0x166共358 B存儲溫壓偏移曲線數(shù)據(jù)；地址0x200~0x201存儲16 B墨水的容積電壓Vrank；地址0x202~0x203存儲此種油墨修正電壓Voffset；地址0x204~0x205存儲噴頭25℃時需要校準(zhǔn)參數(shù)本底偏移值AdcValBOff；地址0x206~0x207存儲當(dāng)PWM OCR1為高點電壓比較值時所對應(yīng)十倍電壓Hm；地址0x208~0x209存儲當(dāng)PWM OCR1為低點電壓比較值時所對應(yīng)十倍電壓Lm；0x210~0x221共12個地址空間存儲噴頭必要的配置數(shù)據(jù)；地址0x300~0x33c共60 B用于存儲噴頭的開波形數(shù)據(jù)；地址0x340~73c共60 B用于存儲噴頭的關(guān)波形數(shù)據(jù)。

3 基于系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個軟件的架構(gòu)中分別對串行通信、24c16EEPROM存儲、改進(jìn)運算形式、主控狀態(tài)機切換等進(jìn)行設(shè)計與研究。最后借助PC上串口調(diào)試器或外擴128x64LCD顯示人機交互來校正噴繪機的噴頭。

3.1 通信界面的設(shè)計

通信界面是為用戶簡單、方便地更換墨水的T-V數(shù)據(jù)和校正噴繪機噴頭而設(shè)置的顯示工具。圖2為串行通信的流程，從圖中可以看出，主菜單在調(diào)試過程中，通過選項來進(jìn)入溫度校準(zhǔn)、電壓校準(zhǔn)、容積電壓Vrank輸入或是配置數(shù)據(jù)的輸入。借助于串口通信，在需要更新墨水的T—V數(shù)據(jù)時，無論用戶是否熟練新產(chǎn)品的使用，都可直觀操作把廠家提供的溫壓數(shù)據(jù)通過選擇不同命令符寫入24c16EEPROM。

3.2 基于24c16EEPROM存儲設(shè)計

根據(jù)I2C的通信機制，首先主機發(fā)送一個起始條件，從機接收到后回發(fā)一個ACK響應(yīng)信號。然后主機發(fā)送地址字節(jié)（地址字節(jié)為7位，最后一位為讀寫標(biāo)志位），進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫傳輸。每次接收方回發(fā)一個ACK。最后主機發(fā)送停止信號結(jié)束通信。24c16EEPROM芯片手冊，在發(fā)送地址7位中前四位必須是1010，此處DEVICE ADDRESS（設(shè)備地址）是通過（0xao|（讀寫地址））發(fā)送。通信時調(diào)用函數(shù)E2416_BufWr（（u8*）&D0_confOn［0］，ONWAVE_ADDR，NbrOfReg）來進(jìn)行寫操作設(shè)計，其中函數(shù)的參數(shù)（u8*）&D0_confOn［0］定義為首個無符號字節(jié)數(shù)據(jù)地址，ONWAVE_ADDR參數(shù)是指向?qū)懭氲紼EPROM的地址，參數(shù)NbrOfReg是寫入數(shù)據(jù)的個數(shù)。

此處I2C通信模塊的整體設(shè)計可通過程序圖3進(jìn)行描述，圖中發(fā)送兩個EEPROM地址，第一個EEPRON地址是EEPROM設(shè)備地址，從第二個EEPROM是存儲數(shù)據(jù)首地址。2416EEPROM規(guī)定每一頁為16 B，程序在設(shè)置過程中以E2416_PageWr（）對頁進(jìn)行寫操作，以E2416_ByteWr（）對字節(jié)進(jìn)行寫操作，寫入到EEPROM指定的地址，同樣設(shè)置E2416_BufRe（）、E2416_PageRe（）進(jìn)行頁讀操作以及E2416_ByteRe（）進(jìn)行字節(jié)讀操作，從指定的地址中讀數(shù)據(jù)。若需更改墨水的數(shù)據(jù)時借助串口交互的選擇，把需要數(shù)據(jù)通過I2C通信機制直接寫入到24c16數(shù)據(jù)存儲EEPROM中，實際上寫入到了預(yù)留的同一塊ROM中。而且在噴頭實際工作過程中可把確定的數(shù)據(jù)在上電初期通過函數(shù)E2416_BufRe（）以及E2416_PageRe（）來讀取開關(guān)波形及噴頭配置數(shù)據(jù)。

3.3 改進(jìn)運算形式

根據(jù)以上設(shè)計，噴頭開始工作前，STM32主控制器從24c16EEPROM的外存儲通過I2C通信機制讀配置數(shù)據(jù)，其中包括存儲高電壓時PWM OCR1比較值Hm和存儲低電壓時PWM OCR1比較值Lm，程序中定義兩個比較值，高低電壓Hx、Lx是對應(yīng)的實際高低電壓的10倍。根據(jù)理論知PWM OCR1的值和對應(yīng)STM32輸出電壓成正比。當(dāng)PWM OCR1的值高時，STM32輸出的電壓高。所以得比例（Hm-Lm）/（Hx-Lx）=（m-Lm）/（x-Lx），其中m代表任意時刻PWM OCR1的比較值，x代表任意時刻當(dāng)PWM OCR1的比較值為m時所對應(yīng)輸出電壓的10倍，化簡得m=（H_Lm*（x-Lx）+Lm*H_Lx）/H_Lx。讀到一個溫度，通過查表找到需要補償電壓，最后把補償電壓、修正電壓、容積電壓相加算出最后噴頭需要的電壓x，通過以上化簡知m=（H_Lm*（x-Lx）+Lm*H_Lx）/H_Lx，計算出PWM OCR1中需要值m改變PWM。噴頭工作的電壓是12 V~29 V，精確到0.1 V，在設(shè)計過程中把實際高低電壓Hx、Lx以及更改的輸出電壓擴大10倍。不難看出運算形式及結(jié)果沒有改變，而存儲上需占更多空間，但是不改則需要浮點型數(shù)的運算。相比較而言，提高10倍雖增加存儲空間但較少計算時間，提高執(zhí)行效率。

3.4 主控狀態(tài)機切換設(shè)計

STM32主控程序設(shè)計是整個控制系統(tǒng)核心。為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高主控的處理速度，此處設(shè)計采用如圖4主控狀態(tài)切換機制。從圖中可看出，系統(tǒng)上電開始后進(jìn)入InitConfig狀態(tài)初始化時鐘、I/O口、串口、DMA、A/D、定時器、I2C、緩沖區(qū)等。若使能液晶屏，則液晶屏開始顯示，然后通過DMA發(fā)送I2C從設(shè)備地址進(jìn)入Send Slave Add狀態(tài)。如果地址匹配，則進(jìn)入Read Data狀態(tài)，即從EEPROM中讀取噴頭的配置數(shù)據(jù)。若VERIFY_ON=1（PA^8=0），則按鍵按下進(jìn)入UART adjust狀態(tài)（文件的配置），若Sw1_on==1，即按鍵按下進(jìn)入Nozzle text狀態(tài)即噴頭測試，否則進(jìn)入ADC狀態(tài)。轉(zhuǎn)化完后通過DMA傳送數(shù)據(jù)進(jìn)入DMA IRQ狀態(tài)，在此狀態(tài)下進(jìn)行16次平滑處理，計算完后進(jìn)入Update Voltage狀態(tài)然后輸出PWM即電壓提供給噴頭，使噴頭精確工作。初始工作讀完數(shù)據(jù)后首次A/D轉(zhuǎn)化由軟件啟動，工作后A/D轉(zhuǎn)化是在DMA中斷下進(jìn)行，16次平滑處理后開啟A/D轉(zhuǎn)化使能。

4 系統(tǒng)測試

結(jié)合系統(tǒng)總體架構(gòu)的軟件和硬件平臺以及過程方法步驟的闡述，最終測試結(jié)果如圖5、6所示。圖5顯示了基于I2C通信機制EEPROM存儲驗證。為驗證結(jié)果的正確，向24C16EEPROM寫入數(shù)據(jù)0x0a、0x0b并用示波器觀察波形圖，其中通道2為SCL波形，通道1為SDA波形，結(jié)合兩個通道信號和寫入數(shù)據(jù)驗證此系統(tǒng)存儲設(shè)計可行。圖6是借助串口收發(fā)機制來更新墨水T-V數(shù)據(jù)、噴頭配置文件以及校驗顯示，從圖可看出UART采用的是并口COM1、波特率為115 200 b/s，8 bit數(shù)據(jù)位和1 bit停止位，無奇偶校驗收發(fā)機制下可正確顯示主控的收發(fā)信息與程序設(shè)計一致。圖6中主校菜單下通過串口向STM32發(fā)送“數(shù)字選項”來進(jìn)入溫度校準(zhǔn)、12 V輸出校準(zhǔn)、29 V輸出校準(zhǔn)、容積電壓Vrank輸出等菜單。圖中是在選擇“9”下噴頭的結(jié)合系統(tǒng)總體架構(gòu)的軟件和硬件平臺以及過程方法步驟的闡述，最終測試結(jié)果如圖5、6所示。圖5顯示了基于I2C通信機制EEPROM存儲驗證。為驗證結(jié)果的正確，向24C16EEPROM寫入數(shù)據(jù)0x0a、0x0b并用示波器觀察波形圖，其中通道2為SCL波形，通道1為SDA波形，結(jié)合兩個通道信號和寫入數(shù)據(jù)驗證此系統(tǒng)存儲設(shè)計可行。圖6是借助串口收發(fā)機制來更新墨水T-V數(shù)據(jù)、噴頭配置文件以及校驗顯示，從圖可看出UART采用的是并口COM1、波特率為115 200 b/s，8 bit數(shù)據(jù)位和1 bit停止位，無奇偶校驗收發(fā)機制下可正確顯示主控的收發(fā)信息與程序設(shè)計一致。圖6中主校菜單下通過串口向STM32發(fā)送“數(shù)字選項”來進(jìn)入溫度校準(zhǔn)、12 V輸出校準(zhǔn)、29 V輸出校準(zhǔn)、容積電壓Vrank輸出等菜單。圖中是在選擇“9”下噴頭的配置數(shù)據(jù)輸入時的顯示，包括噴頭配置數(shù)據(jù)、開關(guān)波形數(shù)據(jù)以及沒有顯示全的溫壓曲線等數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

隨著噴繪技術(shù)的發(fā)展，對噴頭控制系統(tǒng)的要求越來越高。本設(shè)計基于簡單、方便的考慮，以STM32作為主控制平臺，以24c16EEPROM作為外部存儲，結(jié)合軟件設(shè)計出噴頭控制系統(tǒng)。通過實踐和理論研究證明，系統(tǒng)不僅簡捷、方便，而且更改容易且執(zhí)行過程中在一定程度上提高了系統(tǒng)的效率，達(dá)到了理想的預(yù)期效果，但此控制設(shè)計系統(tǒng)沒能面向市場，還存在不少缺陷和不足，需以后加以彌補和改進(jìn)。也希望將來此設(shè)計系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于噴繪機噴頭控制系統(tǒng)中。

編輯：hfy