（信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)論文）嵌入式高速工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的研制.pdf

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要 摘要 工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)主要應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，可以對(duì)鋼鐵、木料等 各種原材料制成的銘牌、零件等產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記打印，是工業(yè)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記、 高效管理和分類(lèi)的輔助工具。根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式的不同，可以分為計(jì)算 機(jī)控制、單片機(jī)控制和上下位機(jī)混合控制三種類(lèi)型。針對(duì)目前進(jìn)口氣動(dòng)打印機(jī)功 能較完整，但是價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)的氣動(dòng)打印機(jī)又存在打印速度低、體積龐大、 精度較低等缺陷，本文提出了一種體積小、打印速度快、低成本、打印精度高、 操作方便的嵌入式高速工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)。 通過(guò)對(duì)嵌入式高速工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的需求分析和各方案對(duì)比，同時(shí)為了保證 打印精度和速度，系統(tǒng)采用上下位機(jī)混合結(jié)構(gòu)與閉環(huán)控制方式。上位機(jī)采用目前 廣泛使用的3 2 位高性能低功耗嵌入式r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 處 理器$ 3 c 2 4 4 0 ，用于取代傳統(tǒng)氣動(dòng)打印機(jī)中的通用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)作為主控制器， 下位機(jī)采用1 6 位超低功耗微控制器m s p 4 3 0 作為打印驅(qū)動(dòng)控制器。系統(tǒng)支持多種 擴(kuò)展接1 2 1 以保證其通用性和可擴(kuò)展性，并創(chuàng)新性的引入網(wǎng)絡(luò)接口。 上位機(jī)采用嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)，并且基于q t e ( q t e m b e d d e d ) 構(gòu)建了自 己的輕型g u i 庫(kù)，提供了高質(zhì)量軟件的同時(shí)保證了良好的用戶體驗(yàn)。它主要完成 人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理、輪廓提取、通信等功能。系統(tǒng)配備6 4 m b 內(nèi)存保證了系統(tǒng) 的高效運(yùn)行；對(duì)t t f 字體和p l t 文件的支持豐富了打印內(nèi)容，滿足了更多客戶的 需求；采用y a f f s 2 文件系統(tǒng)，提供了最低1 2 8 m b 的本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)；系統(tǒng)還支持 網(wǎng)絡(luò)共享和遠(yuǎn)程控制，首次實(shí)現(xiàn)了打印機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化；人機(jī)交互采用l c d 與觸摸屏 的設(shè)計(jì)，使得操作更加直觀方便。由于下位機(jī)采用1 6 位微控制器m s p 4 3 0 ，系統(tǒng) 增強(qiáng)了下位機(jī)的功能，并首次將部分打印算法下放以提高打印精度和速度。下位 機(jī)主要完成通信、直線插補(bǔ)運(yùn)算、打印驅(qū)動(dòng)控制、信息反饋等功能。 經(jīng)過(guò)一年多的研制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全部功能。較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行調(diào)試和實(shí)際測(cè) 試表明系統(tǒng)操作方便，速度快且打印精準(zhǔn)，而且打印內(nèi)容清晰、規(guī)范、美觀，滿 足了當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)嵌入式高速工業(yè)打印機(jī)的系統(tǒng)需求，達(dá)到了市場(chǎng)領(lǐng)先水平，具有 很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 關(guān)鍵詞：工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)，嵌入式系統(tǒng)，l i n u x ，q t e m b e d d e d a b s t r a ct i n d u s t r i a lp n e u m a t i cp r i n t e ri sm a i n l yu s e di nt h ef i e l d so fa u t o m o b i l e s ，m a c h i n e r y , 1 i 出ti n d u s t r ye t c i tc a np r i n t o nt h en a m e p l a t e s ，i n d u s t r i a lp a r t so ro t h e r1 n d u s t r i a l d r o d u c t s ，w h i c _ ha r ema _ k eo fs t e e l ，w o o da n do t h e rr a wm a t e r i a l s - m o r e o v e r ，i t1 s a n a u x i l i a r vt o o lf o rt h ei n d u s t r i a le n t e r p r i s e so nt h em a r k i n g ，e f f i c i e n tm a n a g e m e n ta i l d c l a s s i f i c a t i o n a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c e so fs t r u c t u r ea n dc o n t r o l l i n g ，p n e u m a t l c d m t e rc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ：c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，m l c r o p r o c e s s o r c o n t r o l s v s t 鋤a n dt h eh y b r i dc o n t r o ls y s t e m c u r r e n t l y , t h ei m p o r t e dp n e u m a t i cp r i n t e rw i t ha b e t t e rf u n c t i o ni se x p e n s i v e ；a n dt h ed o m e s t i cp n e u m a t i cp r i m e r h a sm a n yd e f e c t s ，s u c n a sl o wp r i m s p e e d ，b u l k ya n dl o wp r e c i s i o ne t c a i m i n g a tt h o s ep r o b l e m s ，n e r e p r e s e n t sa ne m b e d d e dh i g h s p e e di n d u s t r i a lp n e u m a t i cp r i n t e r ( e h i p ) w i t h s m a l ls i z e ， l o w c o s t ，h i g h p r e c i s i o na n dg o o do p e r a b i l i t y a f t e ra n a l y z i n gt h ed e m a n d so ft h ee h i pa n dc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n ts o l u t i o n s ，i t u s e sh y b r i ds t r u c t u r ew i t hc l o s e d - l o o pc o n t r o lm o d et o e n s u r et h ei l i 曲s p e e da 1 1 d p r e c i s i o n t h eu p p e r - c o m p u t e ra d o p t st h ew i d e l yu s e d3 2 b i th i g h - p e r f o r m a n c e a n d 1 0 w p o w e re m b e d d e dr i s cp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0a st h em a i nc o n t r o l l e r , w h l c hr 印l a c e s t h ec o m p u t e r o rm i c r o c o n t r o l l e r i nt h et r a d i t i o n a lp n e u m a t i cp r i n t 既 ln e l o w e r - c o m p u t e ra d o p t st h e16 b i tu l t r a 1 0 wp o w e r m i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0a st h ep r i n t d n v e rc o n 仃d l l e r i no r d e rt oe n s u r ei t sv e r s a t i l i t ya n ds c a l a b i l i t y , t h i ss y s t e ms u p p o r t sa v 耐e t vo fe x p a n s i o ni n t e r f a c e s ；f u r t h e r m o r e ，i ti n n o v a t i v e l ya d d s an e t w o r ki n t e n a c e t h eu p p e r - c o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e mi se m b e d d e dl i n u x b a s e do nt h eq t e ，i t b u i l d sal i g h t w e i g h tg u il i b r a r y , w h i c hp r o v i d e sh i g h q u a l i t ys o f t w a r ea n db e t t e r u s e r e x p e r i e n c e i t sm a i nj o bi sh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，d a t am a n a g e m e n t ，c o n t o u r e x t r a c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n se t c e h i ph a s6 4 m bm e m o r yt og u a r a n t e e i t se 伍c i e n c y ； s u p p o r t i n gf o rt h et t f f o n t sa n dp l tf i l e s ，i ti n c r e a s e st h ep r i n tc o n t e n ta n dm e e t s t n e n e e d so fm o r ec u s t o m e r s ；u s i n gt h ey a f f s 2f i l es y s t e m ，i t l sp r o v i d e sam i n i m u m 12 8 m bl o c a ld a t as t o r a g e ；i ta l s os u p p o r t sn e t w o r ks h a r i n g a n dr e m o t ec o n t r o l ，1 n a d d i t i o n i ti st h ef i r s tt i m et or e a l i z et h ei n d u s t r i a lp n e u m a t i cp r i n t e rn e t w o r k i n g ；f h e l c dw i t ht o u c hs c r e e nm a k e st h eo p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n ta n d i n t u i t i v e d u et ot h e 16 一b i tm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 ，t h el o w e r - c o m p u t e r sf u n c t i o nh a sb e e ne n h a n c e d i n o r d e rt oi m p r o v et h ep r i n ts p e e da n dp r e c i s i o n ，t h es y s t e mp o r t ss o m ep r i n t i n ga l g o r i t h r n i i 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文英文摘要 t ot h el o w e r - c o m p u t e r t h el o w e r - c o m p u t e r sm a i nj o bi sc o m m u n i c a t i o n ，l i n e a r i n t e r p o l a t i n go p e r a t i o n ，t h ep r i m e rd r i v e rc o n t r o l ，f e e d b a c ke t c a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns o l u t i o n ，t h i ss y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n dt e s t e dw i t h a l lt h ef u n c t i o n s t h r o u g hal o n gt i m ed e b u g g i n ga n dt e s t i n g ，i ts h o w st h a tt h es y s t e mi s e a s yt oo p e r a t e h a sh i g h s p e e da n dh i g h p r e c i s i o np r i m i n g w i t hc l e a r , s t a n d a r da n d b e a u t i f u lm a r k i n g ，i tm e e t st h em a r k e t i n gr e q u i r e m e n t s m o r e o v e r , t h es y s t e mh a s r e a c h e dt h el e a d e rl e v e lo nt h ei n d u s t r i a lp n e u m a t i cp r i n t e r , a n dh a ss t r o n gm a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lp n e u m a t i cp r i n t e r , e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，q u e m b e d d e d i i i 重慶大學(xué)碩+ 學(xué)位論文1 緒論 1 緒論 1 1 課題背景與意義 中國(guó)加入w t o 已經(jīng)十多年，經(jīng)濟(jì)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種工業(yè)產(chǎn)品的制 造量也在飛速上升，被稱(chēng)為“世界工廠”，同時(shí)也是使得各種品類(lèi)繁多的工業(yè)產(chǎn)品的 管理、儲(chǔ)運(yùn)和分類(lèi)等變得更為復(fù)雜。此時(shí)如何對(duì)他們進(jìn)行有效的管理和分類(lèi)變得 非常重要，而對(duì)各種產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記正是分類(lèi)管理的前提。特別是各種機(jī)械產(chǎn)品及 其零部件，不方便使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行標(biāo)記，因此對(duì)這些產(chǎn)品的標(biāo)記( 包括商標(biāo)、 規(guī)格、型號(hào)等) 變得更加重要，同時(shí)標(biāo)記質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、外 觀和使用壽命，也是作為產(chǎn)品質(zhì)量不可忽視的一個(gè)重要方面。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，工業(yè)打印技術(shù)已經(jīng)不僅僅只是標(biāo)記產(chǎn)品的作用，精美的標(biāo) 記更有助于提升產(chǎn)品形象，保證企業(yè)生產(chǎn)的各種產(chǎn)品的可追溯性，為良好的售后 保證和質(zhì)量提供保障。傳統(tǒng)的標(biāo)記技術(shù)主要有三種：字模壓印、金屬電印和激光 打印等技術(shù) 卜3 1 。但是他們都具有設(shè)備龐大、功耗大、不易于攜帶和高成本等缺點(diǎn)。 嵌入式高速工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)正是針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的特殊性和其他幾種標(biāo)記方法 缺點(diǎn)而研制一種新型標(biāo)記打印工具，具有微型、功耗低、易攜帶、操作簡(jiǎn)單、價(jià) 格便宜等優(yōu)勢(shì) 3 1 。工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)通過(guò)高壓氣體驅(qū)動(dòng)，利用物理方法可以在不同類(lèi) 型的工業(yè)產(chǎn)品表面打印出文字或者圖像等信息，標(biāo)記清晰、保持持久和難以銷(xiāo)毀 等優(yōu)勢(shì)。它主要應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)及其零部件、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，可以對(duì)塑 料、鋁制品、鋼鐵器件以及木料等各種原材料制成的銘牌、零件等產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記， 可以工作于比較惡劣的工業(yè)環(huán)境。最早的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)是從國(guó)外引入的，至今 一些先進(jìn)的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)都需要從國(guó)外進(jìn)口，目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)還有 待提高，所以研制新型的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)就十分重要【3 4 j 。 實(shí)驗(yàn)室和重慶恒偉精密儀器機(jī)械有限公司在工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)研制方面有著長(zhǎng) 期的合作，共同開(kāi)發(fā)了多代工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)，并取得了很好的銷(xiāo)售業(yè)績(jī)，有著豐 富的經(jīng)驗(yàn)和雄厚的技術(shù)儲(chǔ)備，為新產(chǎn)品的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)該公司立足 西南服務(wù)全國(guó)，也保證了新產(chǎn)品能夠很快的推向市場(chǎng)。 1 2 工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)又稱(chēng)氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)、氣動(dòng)刻印機(jī)等。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始在 西方國(guó)家被廣泛使用，國(guó)外的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟 4 1 。國(guó)內(nèi)最早的工業(yè)氣動(dòng)打印 機(jī)也是從西方引進(jìn)的，經(jīng)歷了2 0 多年的發(fā)展，研究和生產(chǎn)工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的企業(yè) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 也越來(lái)越多，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在各大汽車(chē)制造商、零部件企業(yè)等重工業(yè)企業(yè) 得到廣泛應(yīng)用，具有很好的市場(chǎng)前景。 工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的基本工作原理是由控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)高 壓氣體沖擊，通過(guò)打印針頭在被標(biāo)記物體表面形成由密集點(diǎn)陣組成的各種文字或 者圖案。其中打印路徑控制是工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的核心技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)組成如下圖： 圖1 1 打印機(jī)系統(tǒng) f i g 1 1p r i n t e rs y s t e m 控制器通過(guò)對(duì)打印內(nèi)容輪廓的提取和插補(bǔ)運(yùn)算從而計(jì)算出打印內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)軌 跡，再根據(jù)它控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)，常用的有兩軸和三軸打印機(jī)?？刂破鲗?duì)電機(jī) 的控制也分為閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種方式。開(kāi)環(huán)控制只是單向的由控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而 不具有執(zhí)行反饋功能，在早期型號(hào)的氣動(dòng)工業(yè)打印機(jī)上比較常見(jiàn)。而后期的產(chǎn)品 大多采用閉環(huán)控制，它可以對(duì)控制指令的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，從而更加精確 有效地控制電機(jī)完成打印。 由于我國(guó)的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)從國(guó)外引入較晚，國(guó)內(nèi)的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)整體水 平低于國(guó)外，產(chǎn)品也有一定的差距。目前的主要研究?jī)?nèi)容集中在打標(biāo)機(jī)硬件的微 型化、控制軟件的優(yōu)化、軟件界面的人性化等方面。根據(jù)控制器與控制方式的不 同，工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)主要分為以下幾種類(lèi)型p j ： 通用計(jì)算機(jī)直接控制的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī) 通用計(jì)算機(jī)控制方式下的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)主要有通用計(jì)算機(jī)、控制軟件、步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、空氣壓縮機(jī)控制電路等構(gòu)成，如圖所示。通用計(jì)算機(jī)通過(guò)安裝 專(zhuān)用的控制軟件完成打印參數(shù)的設(shè)置、打印內(nèi)容的編輯以及打印的控制等功能， 并通過(guò)接口卡產(chǎn)生脈沖來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和高壓氣閥的控制。 通用計(jì)算機(jī)h 阢鼬卡卜 卅”筆蠢驅(qū)動(dòng)h 步進(jìn)電機(jī) 上一土 小薔 圖1 2 計(jì)算機(jī)控制的打印系統(tǒng) f i g 1 2c o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e m 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 該型工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用通用計(jì)算機(jī)提供的強(qiáng)大功能， 控制軟件大多基于微軟的v i s u a lc + + 平臺(tái)，同時(shí)可以利用各種制圖軟件( 如 a u t o c a d ，c o r e l d r a w 等) 實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜圖形的設(shè)計(jì)。但是它也有幾個(gè)比較突出的 缺點(diǎn)：首先，如果該型工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)應(yīng)用于比較惡劣的工業(yè)環(huán)境，需換用工業(yè) 計(jì)算機(jī)，價(jià)格昂貴，增加了整個(gè)打印機(jī)的成本；其次，計(jì)算機(jī)體積較大，不便于 攜帶；此外，基于v i s u a lc + + 的控制軟件都是通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打印速度的控 制，由于w i n d o w s 是多任務(wù)操作系統(tǒng)，軟件層面很難實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)操作，導(dǎo)致 整個(gè)打印機(jī)打印速度難以提高，在高速打印狀態(tài)下容易出現(xiàn)電機(jī)失調(diào)，打印拖尾 等現(xiàn)象。這種控制結(jié)構(gòu)的工業(yè)氣動(dòng)標(biāo)記系統(tǒng)多用于早期的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被 市場(chǎng)淘汰。 微處理器控制的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī) 該型打印機(jī)主要有微控制器電路、人際交互接口、打印控制電路等組成，如 圖所示。 圖1 3 微處理器控制的打印機(jī)系統(tǒng) f i g 1 3m i c r o p r o c e s s o r - c o n t r o l l e ds y s t e m 與基于通用計(jì)算機(jī)的打印機(jī)區(qū)別在于使用專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)和微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打 印的控制。打印機(jī)的人機(jī)交互通常通過(guò)鼠標(biāo)、l c d 顯示和鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該型產(chǎn)品 具有價(jià)格低廉、體積小和低成本等優(yōu)點(diǎn)，但是由于微處理器的處理能力有限，打 印內(nèi)容的可編輯性大大降低，用戶使用不方便，從而阻礙了它在市場(chǎng)的普及 5 1 。 上位機(jī)和下位機(jī)交互控制的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī) 人際交互接口 u 器h 繅蠢h 步進(jìn)吼 通通 信信 下位初 0 j上位機(jī) 接接 口口 微處理器 電磁閥n 打印針頭 圖1 4 混合控制系統(tǒng) f i g 1 4h i y b i r d - c o n t r o l l e ds y s t e m 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 該型工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)將系統(tǒng)的兩大主要人際交互和打印控制功能分離，通過(guò) 上位機(jī)完成人機(jī)交互，包括打印參數(shù)的設(shè)置、打印內(nèi)容的編輯和打印內(nèi)容的提取 等，再以指令的形式發(fā)送給下位機(jī)執(zhí)行具體的電機(jī)控制，如1 4 所示。上位機(jī)可以 是通用計(jì)算機(jī)或者嵌入式處理器，下位機(jī)可以采用單片機(jī)、f p g a 和微處理器等【l 3 j 。 這種控制方式是目前的主流方式，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了圖形顯示、打印 輪廓提取和打印控制的分離，充分利用上位機(jī)的處理能力和下位機(jī)控制器的實(shí)時(shí) 性和穩(wěn)定性，提高了打印機(jī)的整體性能。 1 3 工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 由于近幾年微處理器技術(shù)、精密控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)和軟件工程等的進(jìn)步， 當(dāng)前工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面 3 7 】： 智能化和微型化 隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的智能化、微型化成為了研究熱點(diǎn) 和重點(diǎn)。智能化和微型化主要體現(xiàn)為：打印過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和即時(shí)反饋；打印工 作的人性化操作；根據(jù)要求自主打印；自動(dòng)定位、跟蹤打印狀態(tài)；錯(cuò)誤信息即時(shí) 處理和報(bào)警等方面。 高精度 產(chǎn)品標(biāo)記效果的清晰度是工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的主要指標(biāo)，而隨著打印控制精度 的提高，產(chǎn)品標(biāo)記打印的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提升。 高效率 未進(jìn)行路徑優(yōu)化的傳統(tǒng)打印機(jī)按照字符路徑逐點(diǎn)打印，空走行程較多，從而 導(dǎo)致打印效率低下。通過(guò)對(duì)打印軌跡的跟蹤和優(yōu)化，最大限度的縮短空走行程來(lái) 提高打印效率。 打印內(nèi)容的高適應(yīng)性 由于傳統(tǒng)的工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)只能編輯和打印有限的字符和圖形，而不能支持 任意圖形，從而導(dǎo)致了打印內(nèi)容的局限性。通過(guò)對(duì)控制軟件的改進(jìn)，使其支持更 多常用的圖形打印，例如a u t o c a d 、c o r e l d r a w 等的圖形，以適應(yīng)各種圖形文件格 式的打印。 1 4 課題的研究?jī)?nèi)容 本課題通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深 入分析，針對(duì)當(dāng)前工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)的不足，根據(jù)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)以及不同的設(shè) 計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比論證，提出了一種新的系統(tǒng)方案。采用上下位機(jī)分離的控制方 式，使用a r m 9 作為上位機(jī)處理器，并基于嵌入式l i n u x 和q t e 開(kāi)發(fā)主控軟件； 4 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 下位機(jī)主控制由低功耗微處理器m s p 4 3 0 代替常用的單片機(jī)，完成對(duì)打印機(jī)械結(jié) 構(gòu)的控制。具體工作如下： 制定了新的系統(tǒng)方案，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)； 研究并實(shí)現(xiàn)了l i n u x 操作系統(tǒng)的裁減、移植與調(diào)試； 基于l i n u x 的驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)與移植； 研究并實(shí)現(xiàn)了q t e 圖形界面框架的裁減與移植； 實(shí)現(xiàn)了基于q t e 的打印控制軟件的各個(gè)功能，主要包括圖形界面、打印實(shí) 時(shí)演示、打印輪廓的提取、數(shù)據(jù)通信等功能； 增強(qiáng)了打印內(nèi)容適應(yīng)性，支持a u t o c a d ，c o r e ld r a w 輸出圖形直接打印， 支持矢量字體； 提高了軟件的用戶體驗(yàn)，支持對(duì)打印內(nèi)容的拖拽縮放，網(wǎng)絡(luò)共享等功能； 提出了全新的打印控制模型，將部分功能下放至下位機(jī)m s p 4 3 0 ，提高了控 制的精確性； 提出了路徑優(yōu)化模型，提高了打印效率。 1 5 論文結(jié)構(gòu) 本論文的內(nèi)容安排如下： 第一章在查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了工j i k 氣動(dòng)打印機(jī)的行業(yè) 背景、研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，然后介紹了本課題本人的主要 工作內(nèi)容。 第二章針對(duì)系統(tǒng)的性能需求，設(shè)計(jì)出了整體方案，并選擇了各軟硬件平臺(tái)和 開(kāi)發(fā)工具。 第三章對(duì)系統(tǒng)硬件的總體做了簡(jiǎn)單介紹，并逐一介紹各個(gè)重要模塊的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)。 第四張介紹了b o o t l o a d e r 的移植，嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的裁減與移植，并著重 介紹了l c d 與觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序的移植與開(kāi)發(fā)。 第五章介紹了q t e 的裁減與移植、基于q t e 的打印控制軟件的設(shè)計(jì)和下位 機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)，也是本課題的主要內(nèi)容。 第六章對(duì)全文的總結(jié)和未來(lái)工作的展望。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 總體方案設(shè)計(jì) 2 總體方案設(shè)計(jì) 隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近幾年觸摸屏的普及，市場(chǎng)急需一種具 有良好用戶體驗(yàn)和功能更加全面的工業(yè)打印機(jī)。由于u s b 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口等的普 及，市場(chǎng)也要求打印機(jī)能夠更加全面的對(duì)這些接口兼容。以前的便攜式工業(yè)打印 機(jī)多基于a r m 7 等低端處理器，導(dǎo)致系統(tǒng)處理能力有限，存在圖形化界面粗糙、 不支持中文輸入、響應(yīng)速度慢、接口單一和操作不方便等諸多缺劇引。現(xiàn)在研制的 嵌入式高速氣動(dòng)工業(yè)打印機(jī)在系統(tǒng)整體性能提高的同時(shí)，也改進(jìn)了以上幾個(gè)問(wèn)題， 帶來(lái)良好的用戶體驗(yàn)，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 2 1 系統(tǒng)工作原理與性能需求 在分析和選擇系統(tǒng)方案之前，首先我們必須了解一下整個(gè)氣動(dòng)工業(yè)打印機(jī)的 基本工作原理和系統(tǒng)的主要性能需求。 2 1 1 系統(tǒng)工作原理 嵌入式高速氣動(dòng)工業(yè)打印機(jī)大致有以下幾個(gè)主要部分組成： 主控裝置：它是打印機(jī)的核心部件，主要包括微控制器、打印機(jī)控制軟件 ( 與用戶交互) 、打印數(shù)據(jù)存儲(chǔ)( 包括本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)) 和數(shù)據(jù)通信( 與打印 機(jī)控制器通信) 等組成； 打印驅(qū)動(dòng)裝置：它服從主控器的控制，完成實(shí)際的打印工作，主要有機(jī)械 執(zhí)行裝置、控制器微處理器、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等組成； 輔助設(shè)備：為整個(gè)系統(tǒng)的正常工作提供支撐作用，主要包括電源、空氣壓 縮機(jī)、機(jī)械夾具等。 圖2 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r e 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 總體方案設(shè)計(jì) 嵌入式高速氣動(dòng)工業(yè)打印機(jī)的系統(tǒng)如圖所示，系統(tǒng)的主要操作流程為：用戶 通過(guò)上位機(jī)的打印機(jī)控制軟件輸入需要打印的內(nèi)容，主要有v i n 碼，中文字符， 英文字母，各種自定義圖形等，然后可以對(duì)其進(jìn)行各種編輯，包括裁減、縮放、 旋轉(zhuǎn)、定位、打印預(yù)覽等操作。完成編輯后，再設(shè)置打印參數(shù)，主要有旋轉(zhuǎn)參數(shù)、 打印方式、打印速度、空走速度、開(kāi)關(guān)氣延時(shí)等，然后便可以直接打印。 系統(tǒng)的打印流程為：首先上位機(jī)控制軟件通過(guò)對(duì)輸入內(nèi)容的分析、輪廓提取、 路徑優(yōu)化，包括曲線擬合等，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇蛴≈噶畎l(fā)送給下位機(jī)控制器執(zhí)行，下 位機(jī)通過(guò)直線插補(bǔ)、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和電磁閥完成打印，在機(jī)械裝置執(zhí)行打印操作 的同時(shí)上位機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)模擬當(dāng)前的打印位置和狀態(tài)。 2 1 2 系統(tǒng)性能需求和技術(shù)指標(biāo) 本課題的主要目的是研制一種高速、高精確度、良好的人機(jī)交互、人性化的 軟件設(shè)計(jì)、可平滑升級(jí)的多功能嵌入式工業(yè)氣動(dòng)打印機(jī)，并且滿足客戶長(zhǎng)期需求， 具有良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 為了滿足以上要求，系統(tǒng)的主要功能可以分為以下幾個(gè)部分【l 。3 5 。7 j ： 良好人機(jī)交互功能：精美的圖形化界面，人性化的操作，直觀方便的參數(shù) 設(shè)置，各種文字、圖形和簡(jiǎn)單圖像的編輯、顯示和預(yù)覽，支持c a d 圖形文件，支 持主流矢量字體( 如t t f 字體) 。 打印控制功能：可以打印各種文字、圖形、v i n 碼、流水號(hào)，字符大小、 間距可調(diào)，支持扇形、圓形排列，打印速度可控，打印深度可調(diào)( 通常為0 0 2 2 0 m m ) ， 支持旋轉(zhuǎn)打印模式，支持多平面打印模式。 完善的數(shù)據(jù)管理：支持本地保存和網(wǎng)絡(luò)保存兩種存儲(chǔ)方式，提供獨(dú)立的數(shù) 據(jù)管理功能，提供打印日志和各種用戶權(quán)限管理。 豐富的接口：提供串口、u s b 和網(wǎng)口，方便前期調(diào)試和后期使用；支持u s b 鍵盤(pán)、u s b 鼠標(biāo)以及各種u 盤(pán)和讀卡器，方便數(shù)據(jù)共享。 獨(dú)立的對(duì)針功能：可以獨(dú)立的對(duì)打印針頭進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和校正，能夠顯示針頭 的坐標(biāo)和狀態(tài)；提供實(shí)時(shí)的針頭硬復(fù)位。 本系統(tǒng)最終會(huì)面向市場(chǎng)和客戶，在實(shí)現(xiàn)以上功能的同時(shí)，需滿足國(guó)家相關(guān)質(zhì) 量規(guī)定和以下幾點(diǎn)基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)：標(biāo)記范圍，標(biāo)準(zhǔn)型為1 5 0 x 1 0 0 m m ，根據(jù)不同的 機(jī)械結(jié)構(gòu)可調(diào)；標(biāo)記速度：5 m m 9 0 m m s ，速度可調(diào)；標(biāo)記深度：深度可調(diào)，一般 為o 1 5 m m ；標(biāo)記工件硬度： 18 ) & 0 x f f f c ， b o o t _ p a r a m s = $ 3 c 2 4 1 0 一s d r a m p a + o x l 0 0 ， i n i t - i r q = s 3c 2 4 x x _ i n i t _ i r q ， m a p _ i o= a r m 2 4 4 0 _ m a p _ i o ， i n i tm a c h i n e = a r m 2 4 4 0m a c h i n ei n i t ， 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植 t i m e r2 & s 3 c 2 4 x x _ t i m e r , m a c h i n e e n d 修改m a c h i n ei d 。在m a c h m y 2 4 4 0 c 文件中定義的最后一個(gè)宏 m a c h i n es t a r t 的第一個(gè)參數(shù)m y 2 4 4 0 為架構(gòu)名，它必須與 a r c h a r m t o o l s m a c h - t y p e s h 中的架構(gòu)名相同，它也對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的m a c h i n ei d ， 而且i d 必須與b o o t l o a d e r 傳遞過(guò)來(lái)的i d 相同才能正常啟動(dòng)l i n u x 內(nèi)核。 修改l c d 配置。主要包括修改l c d 背光和l c d 參數(shù)。系統(tǒng)使用的為三星 3 5 英寸屏液晶屏，大小為3 2 0 x 2 4 0 ，需要修改文件a r c h a 刪m a c h s 3 c 2 4 4 0 m a c h a r m 2 4 4 0 c 。 s t a t i cs t r u c ts 3c 2 410 f b _ d i s p l a ya r m 2 4 4 0 1 c dc f g _ _ i n i t d a t a2 n 曲t _ m a r g i n = 8 ， h s y n c _ l e n = 6 ， u p p c r m a r g i n 2 8 1 0 w e r m 嘶n 2 3 v s y n c _ l e n2 10 ， ) ； s t a t i cs t r u c ts 3c 2 410 t b m a c h i n f oa r m 2 4 4 0 一f b i n f o i n i t d a t a2 d e f a u l t _ d i s p l a y = 0 g p c c o n = 0 x a a 9 5 5 6 9 9 ， g p d u p _ m a s k = 0 x t i t t i i f f , 1 p c s e l = 0 x f 8 2 ， ) ； 4 3 3l i n u x 內(nèi)核裁減與編譯 完成對(duì)內(nèi)核主要部分的修改之后，進(jìn)入內(nèi)核裁減。l i n u x 內(nèi)核裁減實(shí)際上是對(duì) 內(nèi)核配置，裁減掉不需要的內(nèi)容，由于內(nèi)核結(jié)構(gòu)龐大，內(nèi)容復(fù)雜，需要熟悉和了 解配置的各個(gè)具體含義。在終端中，常用的四種配置方法：m a k ec o n f i g 、m a k e o l d c o n f i g 、m a k em e n u c o n f i g 和m a k ex c o n f i g ，其中使用最多的是m a k em e n u c o n f i g 。 內(nèi)核配置可以參考m i n l 2 4 4 0 開(kāi)發(fā)板n e c 3 5 英寸的配置，將它的配置文件復(fù) 制到內(nèi)核根目錄下，操作如下： 拌c dl i n u x 2 6 2 9 # c pa r c h a x m c o n f i g s m i n i 2 4 4 0 _ n 35 c o n f i g # m a k em e n u c o n f i g m a k em e n u c o n f i g 提供基于n c u r s e s 圖形界面的配置界面，如下圖所示，在該 界面下對(duì)針特定的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)核配置。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植 圖4 4 內(nèi)核配置 f i g 4 4k e r n e lc o n f i g u r a t i o n 進(jìn)入如上圖所示的配置界面后，按e n t e r 鍵進(jìn)入下一級(jí)選項(xiàng)，s p a c e 鍵選中或 者取消對(duì)某一項(xiàng)配置的選中，如果該選項(xiàng)前面是”【】，表示它具有兩種狀態(tài)：選中或 者不選，如果該選項(xiàng)前面是”則表明它有三種狀態(tài)：選中、不選或者編譯為模 塊，其中“幸，表示選中，“m ”表示作為模塊編譯內(nèi)核，“【 ，表示不選。開(kāi)發(fā)板的主要 配置如下【l 圳： q l o a d a b l em o d u l es u p p o r t 配置可加載模塊的支持。由于有些驅(qū)動(dòng)采用動(dòng)態(tài)方 式加載，所以要配置該選項(xiàng)，配置后可以使用l s m o d 、i n s m o d 和r m m o d 等工具。 ) s y s t e m t y p e 處理器的內(nèi)核選擇，加入內(nèi)核對(duì)$ 3 c 2 4 4 0d m a 的支持。配置 中大部分標(biāo)注為$ 3 c 2 4 1 0 ，因?yàn)? 4 1 0 與2 4 4 0 的很多寄存器地址和設(shè)置完全相同。 ( 亙) d e v i c ed r i v e r s 設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置。主要包括l c d 驅(qū)動(dòng)、觸摸屏、u s b 鼠標(biāo)和 鍵盤(pán)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、按鍵驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、y a f f 2 s 文件系統(tǒng)支持等驅(qū)動(dòng)的配置。 l c d 相關(guān)配置，由于m i n l 2 4 4 0 采用n e c 3 5 顯示屏，而本系統(tǒng)選用三星3 5 屏，配置中修改如下： g r a p h i c ss u p p o r ts u p p o r tf o rf r a m eb u f f e rd e v i c e s $ 3 c 2 4 1 0l c df r a m e b u f f e r s u p p o r t l c ds e l e c t3 5i n c h3 2 0 x 2 4 0s a m s u n gl c d y a f f s 2 文件系統(tǒng)配置，首先要在m t d 中配置m t dp a r t i t i o n i n gs u p p o r t 和 n a n dd e v i c es u p p o r t ，然后進(jìn)入f i l es y s t e m s 配置對(duì)y a f f s 2 的支持。 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)配置，首先配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)入n e t w o r k i n gs u p p o r t 配置t c p i p 協(xié) 議，使用k e r n e ll e v e la u t o c o n f i g u r a t i o n ；然后進(jìn)入d e v i c ed r i v e r sn e t w o r kd e v i c e s u p p o r t 選擇網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)d m 9 0 0 0 。 完成內(nèi)核的配置之后便可以編譯內(nèi)核，首先清除以前編譯過(guò)的殘留文件，再 編譯內(nèi)核z l m a g e 文件。 # r n a k ec l c a n 2 4 重慶火學(xué)碩士學(xué)位論文 4 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植 # m a k ez l m a g e 編譯幾分鐘后，在a r c h a r m b o o t 目錄下生成z i m a g e 壓縮后的內(nèi)核映像文件。 內(nèi)核在啟動(dòng)之后會(huì)在指定的地址讀取根文件系統(tǒng)，所以在內(nèi)核編譯完后還需要建 立文件系統(tǒng)才能正常啟動(dòng)l i n u x 。 4 4l i n u x 文件系統(tǒng)的移植 根文件系統(tǒng)是l i n u x 的一個(gè)核心組成部分，它包含了內(nèi)核所需的可執(zhí)行文件和 系統(tǒng)管理文件，如各種庫(kù)文件、工具文件、腳本以及配置文件等，以樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn) 行組織。嵌入式常用的根文件系統(tǒng)包括j f f s 2 、y a f f s 2 、c r a m f s 和n f s 等， l i n u x 通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)v f s 對(duì)各類(lèi)文件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，v f s 為各類(lèi)文件系 統(tǒng)提供了統(tǒng)一的操作和a p i 。 本設(shè)計(jì)采用y a f f s 2 文件系統(tǒng)，它是專(zhuān)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基于 n a n d f l a s h 的日志型文件系統(tǒng)，具有速度快、掛載時(shí)間短和內(nèi)存占用小等諸多特點(diǎn) 【4 l 4 2 1 。而且日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)提供了損耗平衡和掉電保護(hù)，從而可以避免意外 掉電對(duì)文件系統(tǒng)的一致性和完整性的影響【4 3 1 。y a 凰文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下 4 24 4 】： f i l ei o v f s y a f f sd i r e c t v 刎 y a f f s g u t s 礦 h n d 。 n o rr e c o r d n a n dr e c o r d j n o rf l a s h n a n df 1 a s hn a n de m l j l a t o r 圖4 5 y a f f s 結(jié)構(gòu) f i g 4 5y a f f ss t r u c t u r e 文件系統(tǒng)的具體移植步驟如下： 在內(nèi)核配置中添加y a f f s 2 的支持 修改配置如下： f i l es y s t e m s 術(shù) m i s c e l l a n e o u sf i l e s y s t e m s y a f f s 2f i l es y s t e ms u p p o r t 一術(shù)一 5 1 2b y t e p a g ed e v i c e s 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植 一幸一 2 0 4 8b y t e ( o rl a r g e r ) p a g ed e v i c e s 宰 a u t o s e l e c ty a f f s 2f o r m a t 聿 c a c h es h o r tn a m e si nr a m 編譯安裝b u s y b o x b u s y b o x 用于制作可執(zhí)行命令工具集，它將l i n u x 常用命令( 如l s 、c d 等) 和 工具( 如m o u n t 、t e l n e t 等) 結(jié)合到一個(gè)單獨(dú)的可執(zhí)行程序，雖然沒(méi)有包含全部的 命令，但是對(duì)于嵌入式應(yīng)用足夠了，同時(shí)也縮小了文件系統(tǒng)的空間 1 9 1 。b u s y b o x 的配置與l i n u x 內(nèi)核配置類(lèi)似，采用工具m a k em e n u c o n f i g ，如下圖所示。根據(jù)系 統(tǒng)實(shí)際需求配置b u s y b o x ，具體的配置信息這里不一一列舉。 圖4 6 b u s y b o x 配置 f i g 4 6b u s y b o xc o n f i g u r a t i o n 完成配置后修改b u s y b o x 跟目錄下的m a k e f i l e ： c r o s s c o m p i l e ? 2a l t l l - l i n u x a r c h = a l t n 在b u s y b o x 跟目錄下執(zhí)行m a k e 和m a k ei n s t a l l 命令，安裝完成后在 b u s y b o x i n s t a l l i | 錄下生成：b i n ，l i n u x r c ，s b i n ，u s r 四個(gè)目錄。 創(chuàng)建文件系統(tǒng) 新建一個(gè)r o o t2 6 2 9 目錄，把b u s y b o x i n s t a l l 目錄下的文件和目錄 全部復(fù)制過(guò)來(lái)，然后再創(chuàng)建文件系統(tǒng)所需的其他目錄。 # r n k d i rr o o t 2 6 2 9 # c p r f b u s y b o x _ i n s t a l l 豐r o o t - 2 6 2 9 # c dr o o t 一2 6 2 9 # m k d i rd e ve t ch o m el i bm n to p tp r o ct m pv a r 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植 在文件系統(tǒng)中添加必須的文件，如d e v 目錄中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，e t c 目錄的g r o u p 系統(tǒng)用戶配置文件，i n i t t a b 系統(tǒng)i r d t 進(jìn)程配置文件和l i b 目錄庫(kù)文件等，并修改權(quán) 限為7 7 7 ( + x + w + r ) 。 完成根文件系統(tǒng)的建立后，利用m k y a f f s 2 i m a g e 工具制作文件系統(tǒng)映像文件。 m k y a f f s 2 i m a g er o o t 一2 6 2 9r o o t 一2 6 2 9 i m g 將l i n u x 內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像通過(guò)u b o o t 下載到f l a s h 中便可以啟動(dòng) l i n u x 系統(tǒng)。需要注意的是由于u b o o t 不支持z l m a g e 或者b z l m a g e 內(nèi)核文件格式， 需要將預(yù)先編譯好的z l m a g e 通過(guò)m k i m a g e 工具制作成u b o o t 支持的u l m