- 基于LVDS技术和Cyclone可编成逻辑器件实现高速通讯应用设计

工业绘图机是重要的图形输出设备，被广泛地应用于CAD设计、GIS地理信息系统、数码影像输出等领域。早期的绘图机一般采用笔式绘图输出，但是笔式绘图机存在着输出速度较慢、输出图形质量较差、只能输出线条图等缺点，因此笔式绘图机正在逐渐被喷墨绘图机所取代，数字化的喷墨绘图机具有输出速度高、输出图形的质量好，不仅可以输出线条图还可以输出任意的点阵图形，对绘图机用纸的质量要求较低，有利于降低成本，自动化程度高，提高了生产的效率。目前工业用喷墨绘图机正在朝着宽幅面、高速度、高输出质量的方向发展，这使得工业喷墨绘图机成为一个大型的复杂机电控制系统。在这个控制系统中电气控制部分包括喷墨打印数据的存储、组织、处理、传送、喷墨头的驱动、输纸电机及字车电机的控制等。

在喷墨绘图机工作时安装在字车上的喷墨头在字车电机的拖动下沿导轨运行，喷墨头及其驱动电路通常是一起安装的，属于运动部分，而喷墨绘图机的主控制器由于体积较大、板上的连线较多等原因无法安装在字车上，通常固定安装在机器机架的一侧，这样一来就存在一个问题，即喷墨绘图机主控制器到喷墨头之间的数据传送问题。这一数据传送问题存在这样几个特点：第一，传输的距离较远。当前，宽幅面的喷墨绘图机输出幅面可以达到2 m以上，字车运行的区间达到2．5 m，再考虑安装等原因从主控制器到喷墨头的数据传输距离应在3 m左右；第二，数据传输的速度要求较高。喷墨绘图机通常为提高喷墨输出的速度采用多个喷墨头并行的方式进行工作，每个喷墨头工作时都需要大量的打印数据，多个喷墨头所需要的打印数据量就会更多，在笔者所设计的喷墨绘图机中就采用了4个喷墨头进行喷墨输出，4个喷墨头每秒钟需要消耗7．9 MB的数据；第三，数据传输的实时性强。绘图机工作时字车运行到对应的位置时喷墨头就必须在相应的位置喷印输出相应的数据，因此这里的数据传输必须具有严格的实时性能，否则将严重的影响绘图机的图形输出质量。对于上述所要求的数据传输采用单端的数据传输是无法满足要求的，采用RS 485总线、CAN总线等常用的串行差分传送技术也不能满足这里的数据传输要求，而且采用串行数据传输会使实时性受到影响，因此这里综合考虑采用简单易行的并行低压差分传送技术来解决这一问题，图3是该接口设计方案的原理框图。

在该设计方案中主处理器采用了高速的DSP处理器TMS3202407，主频速率40 MHz。这里从主处理器的总线信号取8位数据、6位地址及总线写信号经差分转换后进行传送，由于只存在从主控制器到喷墨头驱动器的单向数据传送，因此接口的设计简化了，避免了双向的差分转换。在喷墨头一侧每个喷墨头的控制单元被映射为一组寄存器，4个喷墨头的所有控制寄存器被到映射到主控制器的I／O空间，6位地址信号被差分接收后还原为6位本地单端信号，用来选择喷墨头映像寄存器，被选中的单元在写信号的作用下把经差分接收到的一个字节的数据写到该单元。由于差分传送所用的柔性导电带排列在一起，因此经过差分传送后主控制器的总线信号由于时延的一致性仍然保持着原有的时序特性。为实现差分的发送与接收在主控制器上采用可编程逻辑器件EP1C6Q240，在喷墨头一侧同样采用EP1C26Q240实现数据的差分接收，Cyclone系列器件具有丰富的内部资源，可以很方便地使用这些资源来实现收发接口的地址译码、缓冲、寄存等功能，这样就极大地方便了用户的接口设计，笔者通过实践深切体会到这一点带来的方便。

该方案经过测试，完全可以满足系统数据传送的要求，从而大大的简化了系统的设计的复杂程度，取得了较好的效果，测试时采用的通信线为间距1 mm的FFC柔性导电带，长度4 m。图4差分接收信号波形-I为实际测试差分接收端所得的信号波形，从图可以看出差分信号的波形整体，幅值VID稳定在500 mV左右，接收端共模电压VCM稳定在1．5 V左右，此时的数据传送速率为4 MB／s；图5差分接收信号波形一Ⅱ为传输速率20 MB／s时的信号波形图，此时信号的前后沿时间在信号的传输周期中所占的比例加大，波形质量下降，但是总体性能稳定可靠，完全可以满足宽幅面喷墨绘图机的数据传输需要。由于笔者所使用的DSP系统主频为40 MHz，20 MB／s的传输速率已经达到了处理器的极限，如果采用更高速度的处理器，差分传输的速度应该还可以提高。