CN114564157B - 一种数字喷墨打印机用soc架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种数字喷墨打印机用SOC架构，SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，主处理器分别与位协处理器和加速引擎通信连接，主处理器分别与文件存储器和随机存储器通信连接，主处理器用于接收上位机数据进行渲染处理并下发，位协处理器用于控制打印机的喷头，位协处理器与喷头连接，加速引擎包括分色模块和缩放模块，加速引擎用于运算渲染工作的核心算法，核心算法包括分色算法和缩放算法。本发明设计一种领域专用的SOC架构来替代现有数字喷墨打印机中上位机、主控模块、喷头控制模块的方式，把系统间的通信改进为芯片内的通信，确保了高速打印时数据传输的实时性。

Description

一种数字喷墨打印机用SOC架构

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种数字喷墨打印机用SOC架构。

背景技术

传统的数字喷墨打印机如图1所示,包括打印文件渲染子系统、数据处理与喷头控制子系统、打印喷头、外围机电子系统几部分。其中,打印文件渲染子系统、数据处理与喷头控制子系统普遍采用的是由上位机、主控系统和喷头控制模块组成的三级架构。打印时需要上位机对要打印的文件进行渲染，生成与特定打印机喷头和分辨率等匹配的可打印数据，并把渲染后的打印数据实时传输到主控系统，主控系统再将待打印数据实时分发并传输给喷头控制模块，喷头控制模块根据接收的打印数据对喷孔阵列进行控制从而完成打印。

传统的数字喷墨打印机在高速打印时，需要上位机实时地将渲染后的待打印数据传送到主控及控制模块，就要求上位机和主控系统以及主控系统和控制模块之间的传输带宽非常高，目前上位机和主控系统之间通常采用USB3.0或高速以太网进行数据传输，而主控系统与喷头控制模块之间主要采用以太网或专用总线进行信息交互。由于经过渲染的待打印数据相比渲染之前的原始文件，尺寸会大幅度增大，因此在高速打印时，如果待打印数据是由上位机实时传输下去的，就要求上位机到主控系统，主控系统到喷头控制模块的数据传输满足高带宽、低延迟、低抖动等需求。而上述高速数据传输发生在不同的芯片和系统之间，当前常用的以通用操作系统和高速以太网(目前已开始采用万兆以太网)或USB等方式进行的数据传输都难以在可接受的成本下满足高速打印的需求。万兆以太网虽然带宽可以更好地满足实时传输的需求，但由操作系统内核调度的TCP/IP协议栈无法保障数据传输的低抖动，而不可预测的抖动会直接影响打印的质量。

由于在打印时要对打印机喷头上大量的喷孔在极短的时间片段内完成控制，通常只能采用并行控制的方式才能满足实时性要求，因此目前的喷头控制模块通常是采用FPGA来实现，就是要对多个喷孔进行并行控制。FPGA开发门槛高，经常会出现开发周期长、控制时序调试困难、产品迟迟难以定型的问题。而且针对不同型号的喷头，就需要开发不同的控制逻辑，使得此类产品很难标准化，也影响了数字喷墨打印行业的快速发展。

在数字喷墨打印行业对打印速度不断提升、打印机品种日益丰富、成本效益日益提高的要求下，目前采用的系统架构在当前的芯片工艺、成本、开发周期等限制下已难以满足数据实时传输、低抖动、高并发控制等需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字喷墨打印机用SOC架构，以解决以下三个问题：高速打印时上位机和打印机之间数据传输难以满足实时性；采用FPGA设计喷头控制模块难度大、周期长；数据处理与喷头控制子系统受喷头变化影响，通用性差。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种数字喷墨打印机用SOC架构，所述SOC架构为系统级芯片架构，所述SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，所述主处理器分别与所述位协处理器和加速引擎通信连接，所述主处理器分别与所述文件存储器和随机存储器通信连接，所述主处理器用于接收上位机数据进行渲染处理并下发，所述位协处理器用于控制打印机的喷头，所述位协处理器与所述喷头连接，所述加速引擎包括分色模块和缩放模块，所述加速引擎用于运算渲染工作的核心算法，所述核心算法包括分色算法和缩放算法。

在进一步的实施例中，所述位协处理器包括数据缓冲模块、指令缓冲模块、译码器模块、寄存器模块、数据选择器模块、分频模块和数据模块，所述数据缓冲模块和指令缓冲模块均与所述随机存储器通信连接，所述指令缓冲模块用于存放指令信号，所述指令缓冲模块向所述译码器模块传输指令信号，所述译码器模块对指令信号译码并经由所述寄存器模块发送至所述数据选择器模块处理最终输送至所述分频模块；所述数据缓冲模块与所述数据模块通信连接。

在进一步的实施例中，所述指令信号为32位或64位中的一种，所述指令信号包括启动时序指令、时序生成指令、数据加载指令、循环指令和停止取数指令，所述指令信号用于控制喷头打印动作。

在进一步的实施例中，所述位协处理器内设置有控制软件，所述控制软件用于编写指令，所述位协处理器根据所述控制软件编写的指令生成对应的指令信号。

在进一步的实施例中，所述分色模块包括比较器和数据选择器，所述分色模块从所述随机存储器获取RGB数据并将RGB数据转换为CMYK数据。

在进一步的实施例中，所述缩放模块包括三次卷积插值的并行计算架构。

在进一步的实施例中，所述文件存储器为EMMC存储器，所述随机存储器为DDR存储器。

在进一步的实施例中，所述SOC架构还包括高速总线和DMA模块，所述高速总线与所述DMA模块、主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器、随机存储器以及喷头均为通信连接。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过设计一种领域专用的SOC架构来替代现有数字喷墨打印机中上位机、主控模块、喷头控制模块的方式，把系统间的通信改进为芯片内的通信，确保了高速打印时数据传输的实时性；

2.本发明通过为喷头控制模块设计专用的位协处理器，使得针对不同喷头时不需要基于FPGA进行逻辑设计，而是基于位处理器进行软件编程就可以完成对不同喷头的控制，从而降低了开发难度、减少时序调试的时间，缩短开发周期；

3.本发明通过将多个模块集成到一个SOC并通过位协处理器代替空白的FPGA，就提供了一个相对标准化的硬件架构，通过软件的修改即可适应不同的喷头，从而提升数据处理与喷头控制子系统的通用性。

附图说明

图1是传统的数字喷墨打印机的结构示意图；

图2是本发明的一种数字喷墨打印机用SOC架构的结构示意图；

图3是本发明中位协处理器的结构示意图；

图4是本发明中分色模块的结构示意图；

图5是本发明中缩放模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供了一种数字喷墨打印机用SOC架构，如图2所示，SOC架构为系统级芯片架构，SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，主处理器分别与位协处理器和加速引擎通信连接，主处理器分别与文件存储器和随机存储器通信连接，位协处理器与喷头连接。

本发明提供的一种数字喷墨打印机用SOC架构用于替代现有数字喷墨打印机中上位机、主控模块、喷头控制模块的方式，把系统间的通信改进为芯片内的通信。其中，主处理器用于接收上位机数据进行渲染处理并下发，接收的上位机数据为打印数据，上位机对打印数据进行预处理，预处理包括部分渲染工作，为了满足处理速度要求，剩余的复杂的渲染工作由加速引擎完成，加速引擎包括分色模块和缩放模块，加速引擎运算渲染工作的核心算法，核心算法包括分色算法和缩放算法。位协处理器则用于控制打印机的喷头。

在本实施例中，SOC架构还包括高速总线和DMA模块，高速总线与DMA模块、主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器、随机存储器以及喷头均为通信连接。DMA模块为直接存储器访问模块，设置高速总线和DMA模块的目的是使各个硬件能够直接从存储器中读取数据，避免主处理器和位协处理器中断负载导致多硬件任务中断，同时采用高速总线和DMA模块也能提高SOC架构中各硬件的通信速度，保证告诉打印时渲染工作的实时性。

在本实施例中，文件存储器选取EMMC存储器，随机存储器选取DDR存储器。

具体实施过程：

本实施例提供的一种数字喷墨打印机用SOC架构应用于数字喷墨打印机，打印机工作过程包括：上位机将需打印的文件转成后续渲染模块可处理的图片格式，将待打印的图片一次性地传输到SOC架构系统的EMMC存储部件；

运行于SOC上的渲染模块读取待打印图片并将其渲染成具体喷头可打印的数据，其中分色、缩放等核心算法是在硬件加速引擎上执行；

用于喷头控制的位协处理器从DDR中获取喷头控制代码，并通过执行控制代码完成喷头的控制；

待打印的数据从DDR取出并用于喷头中喷孔的具体控制。

实施例2：

本实施例提供了一种数字喷墨打印机用SOC架构，如图2所示，SOC架构为系统级芯片架构，SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，主处理器分别与位协处理器和加速引擎通信连接，主处理器分别与文件存储器和随机存储器通信连接，位协处理器与喷头连接。

在本实施例中，如图3所示，位协处理器包括数据缓冲模块、指令缓冲模块、译码器模块、寄存器模块、数据选择器模块、分频模块和数据模块，数据缓冲模块和指令缓冲模块均与随机存储器通信连接，指令缓冲模块用于存放指令信号，指令缓冲模块向译码器模块传输指令信号，译码器模块对指令信号译码并经由寄存器模块发送至数据选择器模块处理最终输送至分频模块；数据缓冲模块与数据模块通信连接。

在本实施例中，位协处理器内设置有控制软件，控制软件用于编写指令，位协处理器根据控制软件编写的指令生成对应的指令信号。由于位协处理器与喷头连接，即多个分频模块向各自对应的喷头发送指令信号，喷头的控制即可由控制软件实现。

在本实施例中，指令信号为32位或64位中的一种，指令信号包括启动时序指令、时序生成指令、数据加载指令、循环指令和停止取数指令，指令信号用于控制喷头打印动作。启动时序指令、时序生成指令、数据加载指令、循环指令和停止取数指令为5条最重要的指令信号，通过这5条指令的组合，就可以简单地完成时序信号的生成，在指定时刻打印数据的读取。

为了更好的便于理解这5条指令，以32位的指令为例，下面对每个指令进行说明：

启动时序指令，包括指令码(3位)和填充码(29位)，该条指令用于启动分频模块开始工作，即开始产生喷头控制所需的时序信号；

时序生成指令，包括指令码(3位)、高电平持续时间数值(12位)、低电平持续时间数值(12位)和寄存器编号(5位)，如GEN 808000001；就是将分频系数80分别送入R0，S0寄存器，从而通过对主时钟信号的分频产生160倍分频50％占空比的时钟信号；该条指令主要用于产生不同的时序信号，从而生成控制打印喷头所需的时序信号及其之间的相互关系；本实施例中每个位协处理器模块产生最多32个独立的时序信号，如果所需时序信号超出，则可以使用更多位协处理器来解决；

数据加载指令，包括指令码(3位)、数据宽度(6位)和padding(填充位，23位)，把数据缓冲当前地址的由数据宽度指定的若干位数据取出送到Data寄存器中，从数据0开始存放，该条指令用于将打印喷头所需的数据按照顺序取出，送到喷头供打印；

循环指令，包括指令码(3位)、循环次数(20位)和下地址(9位)；该条指令用于重复执行本条指令，直到达到循环次数，就跳到下地址执行新的指令；

停止取数指令，包括指令码(3位)和填充码(29位)，该条指令停止从数据缓冲中取打印数据，直到循环结束。

实施例3：

本实施例提供了一种数字喷墨打印机用SOC架构，如图2所示，SOC架构为系统级芯片架构，SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，主处理器分别与位协处理器和加速引擎通信连接，主处理器分别与文件存储器和随机存储器通信连接，位协处理器与喷头连接。

为了确保高速打印时渲染工作的实时性，本实施例将渲染工作中的分色、缩放等核心算法设计成专用加速硬件引擎，即加速引擎，加速引擎包括分色模块和缩放模块，加速引擎运算渲染工作的核心算法。

在本实施例中，如图4所示，分色模块包括比较器和数据选择器，分色模块从随机存储器获取RGB数据并将RGB数据转换为CMYK数据。转换之后的CMYK数据可以写回随机存储器，也可以直接送到后续模块进行处理。

在本实施例中，如图5所示，缩放模块包括三次卷积插值的并行计算架构。该架构可以同时获取每个插值所需的16个相邻像素数据，从而并行地执行16个乘法(像素值乘以权值)并以加法树的方式进行并行快速加速。

在本发明公开的实施例中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明公开的实施例中的具体含义。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种数字喷墨打印机用SOC架构，其特征在于：所述SOC架构为系统级芯片架构，所述SOC架构包括主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器和随机存储器，所述主处理器分别与所述位协处理器和加速引擎通信连接，所述主处理器分别与所述文件存储器和随机存储器通信连接，所述主处理器用于接收上位机数据进行渲染处理并下发；

所述位协处理器用于控制打印机的喷头，所述位协处理器与所述喷头连接，所述位协处理器包括数据缓冲模块、指令缓冲模块、译码器模块、寄存器模块、数据选择器模块、分频模块和数据模块，所述数据缓冲模块和指令缓冲模块均与所述随机存储器通信连接，所述指令缓冲模块用于存放指令信号，所述指令缓冲模块向所述译码器模块传输指令信号，所述译码器模块对指令信号译码并经由所述寄存器模块发送至所述数据选择器模块处理最终输送至所述分频模块；所述数据缓冲模块与所述数据模块通信连接；

位协处理器内设置有控制软件，控制软件用于编写指令，位协处理器根据控制软件编写的指令生成对应的指令信号；

所述加速引擎包括分色模块和缩放模块，所述分色模块包括比较器和数据选择器，所述分色模块从所述随机存储器获取RGB数据并将RGB数据转换为CMYK数据，所述缩放模块包括三次卷积插值的并行计算架构，所述加速引擎用于运算渲染工作的核心算法，所述核心算法包括分色算法和缩放算法。

2.根据权利要求1所述的一种数字喷墨打印机用SOC架构，其特征在于：所述指令信号为32位或64位中的一种，所述指令信号包括启动时序指令、时序生成指令、数据加载指令、循环指令和停止取数指令，所述指令信号用于控制喷头打印动作。

3.根据权利要求1所述的一种数字喷墨打印机用SOC架构，其特征在于：所述文件存储器为EMMC存储器，所述随机存储器为DDR存储器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种数字喷墨打印机用SOC架构，其特征在于：所述SOC架构还包括高速总线和DMA模块，所述高速总线与所述DMA模块、主处理器、位协处理器、加速引擎、文件存储器、随机存储器以及喷头均为通信连接。