Applikationsbeispiel drahtloser Handheld-Drucker Spartan-3-FPGA im mobilen Drucker mit Random Movement Printing Technology

Mit RMPT (Random Movement Printing Technology) gestaltet sich das Auszeichnen einfach und flexibel. Basierend auf den Spartan-3-FPGAs von Xilinx wirkt diese Drucktechnik wie ein Zauberstab, der alles bedruckt, was er berührt. Das Gerät muss nur über die zu bedruckende Fläche bewegt werden – alles andere übernimmt das Gerät von selbst.

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Das Auszeichnen und Verpacken von Produkten ist ein mühsamer Vorgang, der mehrere Arbeitsschritte umfasst und eine gute Planung voraussetzt. Das Kennzeichnen nach der Fertigung erfolgt hauptsächlich durch Etikettieren, was vorbedruckte Etikettenrollen voraussetzt. Die einzelnen Etiketten müssen dann auf das jeweilige Produkt oder die Verpackung aufgeklebt werden. Mit der RMP-Technologie des schwedischen Handheld-Tintenstrahldrucker-Herstellers PrintDreams vereinfacht sich das Ganze. Diese neue Drucktechnik basiert auf Sensoren, die in Kombination mit Steueralgorithmen bestimmen, was wann und wo gedruckt wird.

Dabei lassen sich sämtliche Tintenstrahldüsen gemeinsam als Reihe ansteuern, aber auch jede einzelen Düse ist individuell ansteuerbar, wenn eine Bewegung in drei Freiheitsgraden erforderlich ist. Durch den Einsatz der Spartan-3AN-FPGA-Plattform können neue Parameter schnell konfiguriert werden. Wenn der zu druckende Inhalt nicht sehr umfangreich ist, greift das FPGA auf diesen direkt aus seinem internen Block-RAM zu.

Unbegrenzte Druckfläche und -formate

RMPT-Drucker sind kompakte, tragbare und batteriebetriebene Geräte. Das Dual-Mode-Power-Management sorgt für eine Einsparung der statischen Leistungsaufnahme um bis zu 99%. Es gibt für RMPT grundsätzlich keine Beschränkung bezüglich der Größe der zu bedruckenden Fläche oder der Druckformate. Aufgrund der Rekonfigurierbarkeit der Xilinx-FPGAs ist es möglich, schnell auf neue Formate umzustellen. Die FPGAs können als separate Controller agieren, um neue Funktionen zu realisieren und damit größere Druckbreiten zu erzielen. Eine weitere Eigenschaft der Spartan-3AN-Plattform ist auch die integrierte Multiboot-Fähigkeit. Diese erlaubt es, mit nur einer einzigen Hardwareplattform unterschiedliche Konfigurationen der Druckkopfdüsen und Düsenanordnungen einzusetzen. Das spart Kosten und Entwicklungsaufwand.

Mit RMPT wurde die bisher gültige Regel der Druckerindustrie „Die Breite des Druckers überschreitet stets die Breite des zu bedruckenden Mediums“ außer Kraft gesetzt. Die physikalische Grenze des Druckers reduziert sich nun auf die Größe der Druckkopf-Kartusche, einer Batterie und einer bestückten Leiterplatte. Der interne Flash-Speicher der Spartan-3AN-Plattform trägt zur weitereren Platzeinsparung bei und verringert die Anzahl externer Komponenten. Wichtig ist auch, dass der Erfinder einer neuen Technologie wie RMPT sein Knowhow schützen muss. Deshalb bietet die FPGA-Plattform Sicherheitsfunktionen, die vor unberechtigtem Auslesen und Kopieren der Daten schützen.

Verglichen mit anderen Drucklösungen ist RMPT äußerst wettbewerbsfähig, einmal aufgrund der Verfügbarkeit der Spartan-3-FPGAs und wegen der Tatsache, dass RMPT grundsätzlich ohne bewegte Elemente und damit ohne komplexen mechanischen Aufbau auskommt. Alles was ein RMPT-Drucker benötigt, ist eine kleine Leiterplatte und ein Druckkopf, das komplette Gerät wiegt ungefähr soviel wie ein Mobiltelefon. RMPT-Drucker machen Etiketten überflüssig und sind bestens für das Markieren, Codieren und andere spezifische Druckanwendungen geeignet.

Die Vorteile des RMPT-Drucks liegen in seiner kompakten Größe, der Erschwinglichkeit und hohen Flexibilität. Eine geeignete Tinte vorausgesetzt, gibt es keinerlei Einschränkungen für Substrate auf die RMPT drucken kann: Pappe, Holz, Gewebe und Plastik sind die üblichsten Materialien, es gibt aber auch Lösungen, die bei Bedarf das Drucken auf Metall und Glas erlauben.

Druckt auf alle Oberflächen

Da nicht nur handelsübliche Tintenstrahldruckköpfe angesteuert werden können, sondern auch anderes Equipment, wie z.B. Laserquellen, lassen sich komplexere Kennzeichnungsaufgaben, wie das dauerhafte Markieren von Metallteilen oder anderen harten Substraten, einfach realisieren. Und wiederum ist die Flexibilität der Xilinx-FPGAs dafür die Voraussetzung. Das größte Problem bei der weiter entwickelten Version der RMPT waren die Echtzeitanforderungen. In vielen Branchen wie der Telekommunikation und Netzwerktechnik liegen die akzeptablen Verzögerungen für Echtzeitaufgaben per Definition im Bereich von Millisekunden, bei RMPT hingegen im Bereich von Mikrosekunden.

Der Drucker muss in der Lage sein, bis zu 2,5 Mio. Entscheidungen in einer Sekunde zu treffen und bestimmen, mit welcher Düse im Druckkopf gedruckt werden soll. In einem typischen Tintenstrahldruckkopf mit 600 dpi Auflösung sind das mehr als 300 Düsen. Dies stellt hohe Anforderungen sowohl an die Hardwarekomponenten als auch die Software. Ursprünglich wurde ein DSP verwendet, der mehr als 300 Berechnungen seriell abarbeitete. Das verbesserte System mit dem Spartan-3AN-FPGA arbeitet mit größerer Speicherkapazität und hoher Parallelität, wobei neue Druckkopfarten eingebunden und das System neu konfiguriert werden kann. Mit einem ASIC könnte nur eine einzige Druckkopfarchitektur angesteuert werden.

*Alex Breton ist Gründer und CEO von PrintDreams in Kista, Schweden.

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