摘要 按需噴印是當前工業(yè)印刷行業(yè)新興的一種技術，正在逐步取代傳統(tǒng)的連續(xù)噴印技術。本文介紹按需噴印噴頭的特點，根據(jù)當前工業(yè)噴印系統(tǒng)基本需求，結合包裝行業(yè)的生產(chǎn)應用，設計一種低成本的按需噴印系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。具體介紹了整個方案的設計思想以及軟硬件實現(xiàn)。
關鍵詞 工業(yè)噴印 XJ128 UPSD3254 時鐘芯片 USB

引言

　　隨著社會的不斷發(fā)展，標識技術在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。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。小型噴碼設備移動性強，能安裝在流水線的不同位置上，噴印時不接觸物體，并且能根據(jù)用戶的要求編輯、設置改變噴印的內容。這使得小型的噴碼設備得到越來越廣泛的應用。

　　目前，非接觸式小型噴碼機分為兩種:連續(xù)噴墨和按需噴墨。連續(xù)噴墨技術噴印速度快，但噴印質量低；按需噴墨技術能噴印質量和分辨率高得多的畫面。英國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多孔滲透和非多孔滲透性底基上進行印刷，并可以使用油基、溶劑和紫外線固化等印墨。使用這種噴頭，將能以更快的速度噴印高質量的圖形和文本[1]。現(xiàn)在國內噴碼機市場上，自主生產(chǎn)的只有連續(xù)式噴碼機，而按需噴印的噴碼機均是國外品牌，價格昂貴。自主開發(fā)研制按需噴印噴碼機已成當務之急。本文介紹按需噴印系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案。

表1  噴印系統(tǒng)的技術規(guī)格說明

表2  PC機與從機的功能描述

1  整體設計

　　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PC和從機兩部分。各部分的主要功能如表2所列。

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

2  硬件設計

　　從機的硬件結構如圖1所示。

圖1  噴碼系統(tǒng)從機的系統(tǒng)硬件結構

　　采用UPSD3254單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片，液晶顯示和鍵盤實現(xiàn)了人機對話的功能。EEPROM存儲噴印信息，時鐘芯片提供系統(tǒng)實時時鐘，包括年、月、日、時、分、秒，通過USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。檢測器和旋轉編碼器用于檢測生產(chǎn)線上物體到來和測量物體位移。

　　UPSD3254是ST公司一款8051核的8位單片機，其內部帶有PSD模塊，外部有豐富的I/O資源，內部帶有大容量的Flash和RAM，能滿足系統(tǒng)對硬件資源的要求。此外，該芯片中帶有PSD模塊，可擴展輸出以及實現(xiàn)簡單的邏輯運算，并且它自帶了USB1.1模塊，可大大簡化硬件電路上的設計[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。時鐘芯片使用DS1302[3]。采用這些常用芯片既能減少開支，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的驅動能力。

圖4  噴頭XJ128與UPSD3254的電路連接圖

3  軟件設計

　　軟件分為兩部分：PC上位機程序和設備程序，如圖5所示。

圖5  軟件框架

　　PC主要完成用戶對噴印圖像的編輯、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；編輯時間和貨物批號。圖像的管理包括保存編輯的圖像、調用已有的圖像。 PC與設備的通信由USB接口實現(xiàn)。

　　設備程序完成噴印參數(shù)設置、噴印圖像數(shù)據(jù)、圖像的管理以及與PC機的通信。參數(shù)的設置包括噴印觸發(fā)源、圖像噴印起始位置、圖像數(shù)據(jù)行之間的噴印延時、噴印的方式、系統(tǒng)時鐘和噴印號碼鏈。圖像的管理包括接收噴印圖像的存儲和刪除。軟件結構如圖6所示。

圖6  設備系統(tǒng)的狀態(tài)轉換示意圖

　　設備系統(tǒng)分成3個狀態(tài)：操作狀態(tài)、噴印狀態(tài)和通信狀態(tài)。

　?。?）  操作狀態(tài)
　　響應鍵盤操作，實現(xiàn)人機對話，包括設備參數(shù)的設置，圖像數(shù)據(jù)的刪除，圖像數(shù)據(jù)的調用和噴印，設備與PC通信啟動按鍵。選擇“設備與PC通信啟動”按鍵，系統(tǒng)進入通信狀態(tài)。選擇“噴印”按鍵，系統(tǒng)進入噴印狀態(tài)。

　?。?）  噴印狀態(tài)
　　將圖像數(shù)據(jù)輸出到噴頭噴印。根據(jù)設備的參數(shù)設置，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)不響應其他按鍵操作。噴印結束后返回操作狀態(tài)。在噴印過程中，如果檢測到噴頭溫度過高，系統(tǒng)將停止噴印操作，返回操作狀態(tài)。

　?。?）  通信狀態(tài)
　　與主機進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)不響應按鍵操作，通信成功則返回操作狀態(tài)。通信失敗，設置錯誤標志，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)噴印出來的時間和編號效果如圖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

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

參考文獻

1  XJ128High Performance Ink Jet PrintheadGuid to Operation
2  UPSD325x.pdf
3  趙海蘭，朱劍，趙祥偉. DS1302實時顯示時間的原理與應用. 電子技術, 2004(1)