摘  要： 介紹了數字包裝印刷機系統的整體設計以及USB控制器CYUSB3014芯片的特性。通過對USB控制器固件程序和FPGA程序的設計，實現了FPGA通過USB接口高速可靠的數據傳輸。
關鍵詞： USB 3.0; CYUSB3014; 數字包裝印刷機

    隨著印刷行業的高速發展，數字包裝印刷機的應用越來越廣泛。但是在快速化的數字包裝印刷的實時工業現場, 以USB 2.0接口實現的信息傳輸已經不能滿足工業生產對傳輸速度的要求，而USB 3.0接口技術的出現能很好地實現這個目標。在2008年公布的USB 3.0協議[1]理論上可達到5 Gb/s的極限傳輸速度,雖然有傳輸協議的開銷和系統的設計開銷，但其仍然可以達到工業高速化的要求。
1 USB 3.0簡介
    由Intel、微軟、惠普、德州儀器、NEC、ST-NXP等業界巨頭組成的USB 3.0(SuperSpeed USB) Promoter Group 于2008年11月18日宣布，該組織負責制定的 USB 3.0標準接口與線纜樣品新一代USB 3.0標準已經正式完成并公開發布[2]。USB 3.0中定義了8根信號線，較USB 2．0多了SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-4根數據線,這也是USB 3.0速度比USB 2．0大幅提升的原因之一。新規范使USB 3.0提供了十倍于USB 2.0的傳輸速度，可用于數字視頻信息的采集、數字導航、工業攝像等。新的USB 3.0在保持與USB 2.0兼容性的同時，還提供了幾項增強功能，即：極大提高了帶寬——高達5 Gb/s全雙工(USB 2.0則為480 Mb/s半雙工)；實現了更好的電源管理；能夠使主機為器件提供更多的功率;能夠使主機更快地識別器件；使數據處理的效率更高。
2 系統整體結構設計
    印刷機的打印分為兩種情況：一種是通過PC機直接控制打印的方式，稱為聯機打印模式；另一種是將圖像載入到存儲器中，不需要PC機的控制，直接由噴繪機的控制系統操控的打印模式，稱為脫機打印模式。
    在聯機打印模式下，針對數字包裝印刷機系統的特點，本系統可實現由一臺PC機作為上位機來控制運行，采用IJA模式噴繪機噴頭，每噴頭510孔，物理精度為180 dpi。同時,為了提高數字包裝印刷機的噴繪速度，采用壓電噴頭，三列噴口，支持多噴口同時噴墨。系統的主控制器由數據傳輸板與運動控制板組成，采用Cyclone Ⅱ系列EP2C8Q208C8作為首選芯片進行設計[3]，數據傳輸系統使用Cypress公司的CYUSB3014控制芯片。上位機發出控制命令和圖像信息，通過CYUSB3014接口芯片傳輸到主控制器上;主控制器通過運動控制模塊和噴頭控制模塊將噴頭需要的圖像數據信息傳輸到噴頭板上;FPGA負責USB的數據信息的接收、小車的運動控制、二級墨盒液位檢測、二級墨盒液泵控制、噴頭板的圖像數據格式轉換和傳輸以及噴頭位置和顏色點火順序的控制。
    本文主要介紹上位機與數字包裝印刷機主控制器的數據傳輸。當上位機發出控制信號，經USB芯片CYUSB3014解析后與FPGA進行通信；系統主控制器檢測到上位機發出的控制命令之后，通過USB接口芯片CYUSB3014以異步從屬FIFO模式將數據由DDR2傳輸到USB內部的FIFO中，最后傳輸到FPGA內部的FIFO中；主控制器讀取USB傳輸過來的數據，再分配給4色噴頭。控制系統的整體設計如圖1所示。

2.1 USB接口設計
    數字包裝印刷機的噴印以行為單位，每行噴印過程中必須以恒定的速度噴印。在每行的行端，噴頭小車要進行加減速和換向，要卷動卷布輥進布，以便進行下一行的噴印。恒定速度的噴印必須有恒定的圖像數據傳輸率來保證。噴印速度要求越高，對圖像數據的傳輸速度要求也越高。
2.1.1接口芯片的選擇
    在本通信系統中,選用CYUSB3014芯片，其采用的構架是EZ-USB FX3。這是一款新的USB 3.0芯片，它集成了增強型的AEM926ej-s內核，并采用了低功耗設計，速度高達5 Gb/s，代表了業界的領先水平，是新一代符合USB 3.0高速控制器的構架[4]。
2.1.2 接口芯片的設計
    在傳輸控制系統中，傳統的數據接收方式一般是通過FX系列芯片內部的CPU接收上位機傳輸的數據并進行數據同步，然后經過FPGA傳輸到噴頭，最后通過主控制器發出的點火命令實現噴頭的點火工作。這種方式在芯片內部經過了多個數據存儲器，易導致數據的傳輸速度不斷變慢，不能滿足工業現場對數據高速、實時傳遞的要求。
    通過對數字包裝印刷機工作原理的研究，可以看出數據傳輸系統對傳輸的數據只是進行了同步，然后通過FPGA傳輸到噴頭進行打印操作，并不需要對圖像數據進行復雜的處理。CYPRESS公司的FX3系列的芯片中提供一種加快數據傳輸的從屬FIFO模式。這種模式在USB的主機與FPGA之間直接建立通道，從而旁路掉CPU，減少不必要的速度損耗，實現端點FIFO與外部數據的直接交換，提高數據的傳輸速度。
    通過對數據傳輸系統的分析,采用一種將CPU旁路的方法提高速度。在USB 2.0傳輸的時代，數據傳輸的極限速度是60 MB/s,通常工業使用的速度大概在40 MB/s左右，因此只要通過芯片自帶的內部端點FIFO就可以解決問題。而到了USB 3.0的時代，速度有了質的提高，如果僅僅使用內部FIFO進行緩沖，可能出現丟失數據的情況。因此在數據傳輸系統上加上大存儲DDR2內存，保證數據的傳輸更加安全、快速。該設計使數據不經過CYUSB3014內部CPU的處理直接傳輸到FPGA的FIFO中，然后通過主控制器的控制命令發送給各個噴頭進行打印。
2.2 FPGA接口設計
    選用CYUSB3014芯片作為USB 3.0的接口芯片，由于接口芯片的最大時鐘頻率遠遠低于FPGA的時鐘頻率，因此不能將接口芯片與主控制器總線直接相連，所以需要芯片接口和FPGA內部總線進行連接。由于兩個模塊的數據傳輸速度不同，因此在USB外部連接大容量的DDR2內存，在FPGA內部建立USB的數據FIFO緩沖區，以便于數據的傳輸，保證在數據高速傳輸過程中的完整性和準確性。同時，FPGA作為Slave FIFO模式的外部控制邏輯，提供USB的片選、寫數據時鐘和端點選擇等信號，實現對數據讀寫的控制[5]。
    為保證實時性，這些數據應該通過緩沖與上位機接口,最好的緩沖就是FIFO。由于CycloneⅡ EP2C8Q208C8的NiosⅡ內核不支持USB 3.0協議,系統擴展采用CYUSB3014 USB擴展接口芯片，在 FPGA內部設計與CYUSB3014 USB的接口。為了最大限度使用FPGA存儲單元，FIFO采用32 bit數據格式存儲。控制模塊從CYUSB3014中獲取數據并經過USB_FIFO對數據進行一級緩存，之后將一級緩存中的數據按C、M、Y、K四色每色依次分配512 bit的方式分配到FIFO_C、FIFO_M、FIFO_Y、FIFO_K 4個二級緩存當中。這要求上位機給出圖像數據時嚴格按照C、M、Y、K四色各512 bit的大小給出數據塊并通過USB傳輸。二級緩存中的數據經過移位控制按預定傳送方式將數據分別傳送給C、M、Y、K四色噴頭。
3 實驗結果測試

    數據傳輸系統的控制芯片變為CYUSB3014，它提供了全新的接口方式和傳輸模式，由以前的半雙工傳輸變為全雙工傳輸。通過采用Slave FIFO的高速傳輸模式，使數字包裝印刷機的數據傳輸速度有了質的提高，其數據傳輸速度比原來的42 MB/s提升了3倍,數據的穩定傳輸速率可達到135 MB/s,有時突發速率可達270 MB/s左右。系統速度測試結果如圖2所示。

    本文對數據傳輸系統進行了重新設計,采用了CYUSB3014全新的接口芯片和FPGA芯片，使整個數字包裝印刷機的數據傳輸速率和穩定性得到了極大的改善，滿足了工業實施現場對數據傳輸速度的要求。
參考文獻
[1] NEC. Universal serial bus 3.0 specification[EB/OL].(2009-01-xx)[2012-07-24].http: //www.NEC.com.
[2] 劉妍秀.USB3.0體系結構及發展前景[J].長春大學學報2010,20(10):23-26.
[3] Altera. Cyclone Ⅱ EP2C8Q208C8[EB/OL].[2012-07-24].http:www.altera.com.cn/.
[4] Cypress semiconductor. CYUSB3014 Datasheet[EB/OL]. [2012-07-24]. http://www.cypress.com/.2012.
[5] 張平,劉晉. FPGA與USB技術在紡織品數字印刷機系統中的應用[J].微型機與應用, 2011，30(8):29-32.