提升大幅面打印机数据传输性能关键技术研究

　　文章以大幅面喷墨打印机系统为例，针对大幅面打印机数据传输效率低、稳定性以及可靠性差等问题，重点探讨了提升大幅面打印机数据传输性能的解决方案，以期作为参考。

　　大幅面彩色喷墨打印机是一种专门用于打印大幅面彩色图形的电子信息输出设备，它具有绘图质量精美、出图速度快、绘图模式多样等特点。目前，我国在大幅面和超大幅面彩色喷墨打印机领域比较落后。为了满足办公自动化、测绘、气象等领域对色彩鲜明、层次清晰的大幅面图像的需求，对大幅面喷墨打印机技术进行研究，掌握其中的关键技术，使国内大幅面彩色喷墨打印机的技术达到国际水平。

　　一、大幅面喷墨打印机的结构及工作过程

　　大幅面彩色喷墨打印机整机的主要部件包括主机架、进纸装置、控制面板、喷头小车系统、横向导轨、移动走线盒、供墨系统和其它辅助系统(如热风机烘干装置、打印头吸墨和清洗装置等)。一幅制作完的图片并不能直接用于打印，必须经过一个数据格式变换的过程，生成打印机可打印的专用数据格式。首先，图像会被转换成以颜色为单位的二进制数据，这是RIP软件所完成的工作。然后再根据打印机喷头的数量和喷头摆放的位置等因素对数据做进一步处理，生成打印机可直接使用的二进制数据，这是图像数据处理所要完成的工作。这些数据会通过计算机的接口传送到打印机的接口单元上。数据必须由打印机接口单元加以缓存，以提高打印的效率和稳定性。然后由打印机接口单元把缓存中的打印数据发送到喷头驱动单元中，再配合横向、纵同电机的动作完成图像的打印。

　　二、提升通信

数据传输性能关键技术的设计方案

　　(一)大量数据的存储与打印的并行处理

　　1.数据缓存方案

　　为了保证数据在一带打印过程中不间断，简单的方法就是设计一个大容量的缓存，用于存放足够的数据，保证不会发生数据间断的情况。最可靠的情况就是缓存一带的数据，一带的数据量约为9.89M字节。考虑到大幅面打印机的设计要求，设计中采用双缓冲模式，或称为缓冲模式缓存一带数据。设计中，开辟两块容量相等的缓冲区作为连续数据输入的缓冲区，每个缓冲区的容量都大于一带打印的数据量。实际打印时，一个向喷头输出当前正在打印的一带数据，另外一个则从主机输入下一带即将打印的数据。一带打印结束后，两个缓冲区输入输出进行交换，不断循环进行直到打印结束。与常用的单缓冲模式相比，双缓冲模式的优点是，它可以使用容量较小的内存不间断地缓冲几乎无限量的数据，很好的实现平稳的数据传输。

　　2.缓存存储器的选择

　　主机向打印机发送图像数据时，以一次打印的一带数据为一个完整的数据包进行发送。在双缓中，每个缓冲区至少要容纳一带的数据量(9.89M字节)，以保证有足够的存储空间存放一带的图像数据。可以采用动态存储器SDRAM，SDRAM的价格低、体积小、速度快、容量大，是比较理想的器件，但SDRAM的控制逻辑比较复杂，对时序要求也十分严格，使用很不方便，这就要求设计一个专门的控制器，方便操作SDRAM。设计中选用了三星公司的大容量SDRAM芯片K4S511632D，单片存储容量64M字节，作为双缓冲的一个存储单元。双缓冲机构中共设置两个这样的存储单元。

　　双缓冲的两个存储区进行数据读写以及功能切换都需要一个主控芯片产生读写及控制时序;在输入模块中，从CY7C68013的端点FIFO中读取数据也需要一个主控制器来完成。设计中这个主控制器选用了Altera公司的EP1C6Q240C6。该芯片属于Altera公司的CYCLONE系列FPGA，工作电压3.3V，内核电压1.5V，采用0.13μm工艺技术，全铜SRAM工艺，其密度为5980个逻辑单元，包含20个128 X 36位的RAM块，总的RAM空间达到92160位，共有185个用户可用引脚，工作频率高达200MHz。EP1C6Q240C6具有可靠性高、设计效率高、集成度和保密性高等特点。

　　(二)多喷头数据的并行传输

　　第一，在接口单元上组合，通过32位的数据总线将数据送到喷头驱动单元，然后啧头驱动单元依次将180个32位数据送到喷头，发送点火信号后打印一次：第二，接口单元通过16位的数据总线将180个32位数据送到喷头驱动单元之后，由喷头驱动单元将连续的两个16位数据组合成一个32位数据，最后发送到喷头进行打印。第一种方案中接口单元完成组合数据的工作，这种工作方式，连接接口单元和喷头驱动单元的数据线太多，而这些传输线都是固定在移动走线盒里的，移动走线盒空间有限，传输线太密会引起很大的干扰。第二种方案里组合数据的工作由喷头驱动单元完成，数据线的条数减少至前一种方案的一半，有效的增强了数据传输过程中的抗干扰能力，并大大降低了成本。因此，综合来看，选用第二种方案更为适宜。

　　(三)数据的可靠传输

　　接口单元一般安装在打印机的一端，而喷头驱动单元和喷头都工作在高速运动的喷头小车上。在大幅面的喷墨打印机中，幅面一般都很宽，如果按幅面2米计算，那么接口单元到喷头小车的信号传输线的长度就要达到3米左右，这么长距离的信号传输，很容易造成信号干扰或者信号衰减，出现逻辑错误。另外，大幅面喷墨打印机使用的电机的功率要求更大，辅助系统也更多，需要的电源种类也更多，还有户外应用的情况，这些都会使系统的电磁干扰问题更加严重。此外，长距离传输打印数据也特别容易受到干扰，运动过程中的震动对电路稳定性的干扰也不容忽视。

　　三、关键技术硬件实现

　　结合大幅面彩色喷墨打印机的设计要求，接口单元硬件主要分为输入模块、

　　缓存模块及输出模块三个部分。①输入模块主要是指USB接口芯片CY7C68013，它主要负责接收主机端的图像数据，将其暂存于内部FIFO中，并在主机和运动控制单元之间传输控制命令。②缓冲模块主要包括FPGA控制器EP1C6Q240C6和SDRAM芯片。FPGA作为接口单元的控制核，自，实现了基于VHDL语言的SDRAM控制器，读取暂存在CY7C68013内部FIFO中的图像数据并将其写入SDRAM中，同时控制两个缓冲区的切换。③输出模块读出缓存中的图像数据，利用光纤通信传输给打印机的喷头驱动单元。

　　综上所述，目前限制大幅面喷墨打印机与打印数据相关的因素主要有大量数据的存储与打印的并行处理、多喷头数据的并行传输和数据的刚靠传输等三个方面，文章针对上述三个问题分别提出了相应的解决和改善方案，进而提升大幅面喷墨打印机的打印质量、打印速度以及打印可靠性。

　　作者：陈广接 来源：中国科技博览 2016年12期