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基于77E58的高速行式熱敏打印機(jī)控制板的研制
摘要：基于77E58研制了一種高速行式熱敏打印機(jī)控制板，打印速度為20行漢字／秒。充分利用行式熱敏打印頭的雙緩沖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了打印頭加熱和數(shù)據(jù)傳送同步進(jìn)行，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了打印速度；對(duì)打印頭的保護(hù)采用一種獨(dú)立于單片機(jī)的雙重保護(hù)電路，提高了對(duì)打印頭保護(hù)的可靠性。介紹了行式熱敏打印的原理、高速熱敏打印機(jī)控制板的硬件和軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：熱敏打印機(jī)熱敏行式打印機(jī)微型打印機(jī)高速
熱敏打印機(jī)具有噪音低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等優(yōu)點(diǎn)，目前已在ＰＯＳ終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱敏打印機(jī)根據(jù)其熱敏元件的排列方式可分為行式熱敏(ＴｈｅｒｍａｌＬｉｎｅＤｏｔＳｙｓｔｅｍ)和列式熱敏（ＴｈｅｒｍａｌＳｅｒｉａｌＤｏｔＳｙｓｔｅｍ）。列式熱敏屬于早期產(chǎn)品，目前主要應(yīng)用在一些對(duì)打印速度要求不高的場(chǎng)合，國(guó)內(nèi)已有作者在其產(chǎn)品中使用。行式熱敏屬２０世紀(jì)９０年代技術(shù)，其打印速度比列式熱敏快得多，目前最快速度已達(dá)到２２０ｍｍ／秒。要實(shí)現(xiàn)高速熱敏打印，除了選取高速熱敏打印頭外，還必須有相應(yīng)的控制板與之配合。由于其進(jìn)口原裝控制板價(jià)格昂貴，且有的不支持漢字打印，因此受日本精工代理商的委托，開(kāi)發(fā)了一種基于７７Ｅ５８的高速行式熱敏打印機(jī)控制板，該控制板具有打印速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前已在中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信等１０００多家營(yíng)業(yè)廳的話費(fèi)清單打印機(jī)中得到應(yīng)用。
１行式熱敏打印的原理
行式熱敏打印頭(ＬＴＰ２３４２)原理框圖如圖１所示。在一條長(zhǎng)７２ｍｍ的基體上均勻安裝了５７６個(gè)發(fā)熱元件。打印前將Ｖｐ連到打印機(jī)電源，要打印的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘ＣＬＫ的配合下由ＤＡＴ端移到移位寄存器。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)行５７６位數(shù)據(jù)全部移到移位寄存器后，鎖存端(ＬＡＴＣＨ)為低，將移位寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到鎖存寄存器；然后在數(shù)據(jù)選通端(ＤＳＴ)產(chǎn)生低電平，此時(shí)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)是１或０決定發(fā)熱元件是否發(fā)熱，從而在熱敏紙上產(chǎn)生要打印的點(diǎn)行。行式熱敏打印頭的控制信號(hào)的時(shí)序圖如圖２所示。
２高速行式熱敏打印機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法
要實(shí)現(xiàn)行式熱敏打印機(jī)打印的高速化，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如下三方面的內(nèi)容。
�。ǎ保┻x用高速行式熱敏打印頭
雖然行式熱敏打印比列式的速度快，但不同的行式熱敏打印頭的打印速度差別相當(dāng)大，從最慢的２０ｍｍ／ｓ到最快的２２０ｍｍ／ｓ。速度的快慢主要取決于打印頭的工作電壓、發(fā)熱元件的發(fā)熱效率、走紙電機(jī)的性能以及數(shù)據(jù)傳送方式等。因此要實(shí)現(xiàn)高速打印，必須選取高速的熱敏打印頭，如日本精工(ＳＩＩ)的ＬＴＰ２３４２(７５ｍｍ／ｓ)、ＬＴＰＦ３４７(２２０ｍｍ／ｓ)、日本ＥＰＳＯＮ的５３２(１５０ｍｍ／ｓ)等。
�。ǎ玻┻x用高速微處理器及快速存儲(chǔ)器
熱敏打印機(jī)控制板的主要功能是接收由主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后將每一個(gè)字符的字形碼從內(nèi)存(ＲＯＭ)中取出，并按照一定格式放入內(nèi)存?穴ＲＡＭ?雪中的打印點(diǎn)行緩沖區(qū)，最后將點(diǎn)行緩沖區(qū)的內(nèi)容送到打印頭的移位寄存器中，進(jìn)行加熱打印。打印的漢字采用２４×２４點(diǎn)陣，這樣對(duì)每一個(gè)漢字，就要先由該漢字的機(jī)內(nèi)碼計(jì)算出存放在ＲＯＭ的地址，再?gòu)模遥希椭凶x�。罚泊螖�(shù)據(jù)，然后計(jì)算ＲＡＭ中的地址，往ＲＡＭ中寫(xiě)入７２次數(shù)據(jù)。對(duì)于如此大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)換，必須采用高速的ＣＰＵ和存儲(chǔ)時(shí)間小的ＲＯＭ及ＲＡＭ，否則將在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)換上花費(fèi)大量時(shí)間，從而降低打印速度。
�。ǎ常┫冗M(jìn)的控制模式
從熱敏打印頭的方面看，控制時(shí)序是如下進(jìn)行的：數(shù)據(jù)傳送→數(shù)據(jù)鎖存→打印頭加熱→走紙，然后開(kāi)始下一行的傳送和打印。數(shù)據(jù)鎖存是瞬間完成的，它的時(shí)間可以忽略不計(jì)，故對(duì)一般的控制模式，打印頭的主要時(shí)間分配如表１所示。
表1一般控制模式
第1行打印第2行打印數(shù)據(jù)傳送打印頭加熱走紙數(shù)據(jù)傳送打印頭加熱走紙
對(duì)于行式熱敏打印機(jī)，為了提高打印速度，都采用雙緩沖寄存器。因此必須充分利用這個(gè)特點(diǎn)，采用先進(jìn)的控制模式，如表２所示。先進(jìn)的控制模式就是在打印頭加熱時(shí)，ＣＰＵ完成下一行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳送。
表2先進(jìn)的控制模式
第1行打印第2行打印數(shù)據(jù)傳送打印頭加熱走紙打印頭加熱走紙CPU進(jìn)行第2行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳送CPU進(jìn)行第3行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳達(dá)
以ＬＴＰ２３４２打印頭為例比較兩種控制模式的打印速度。ＬＴＰ２３４２每一點(diǎn)行為５７６個(gè)點(diǎn)。假設(shè)數(shù)據(jù)的傳輸頻率為１ＭＨｚ，每一點(diǎn)行的加熱時(shí)間為１ｍｓ，走紙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率為１５００ｐｐｓ,這樣用一般控制模式，打印每一點(diǎn)行的時(shí)間為：０．７６５＋１＋０．６６７＝２．４３ｍｓ，打印速度為４１０點(diǎn)行／秒；用先進(jìn)的控制模式，打印每一點(diǎn)行的時(shí)間為：１＋０．６６７＝１．６６７ｍｓ，打印速度為５９９點(diǎn)行／秒。由此可見(jiàn)，控制模式對(duì)打印速度影響很大。
�。秤布O(shè)計(jì)
本打印機(jī)控制板的硬件總體框圖如圖３所示。整個(gè)電路主要由主控電路、走紙電機(jī)控制及打印頭狀態(tài)檢測(cè)電路、打印頭保護(hù)電路及頭溫測(cè)量電路組成。
�。常敝骺仉娐�
主控電路由微處理器、ＩＭＰ８１０復(fù)位芯片、６２２５６靜態(tài)存儲(chǔ)器、２９Ｃ０４０ＦＬＡＳＨ、ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、Ｍａｘ２３２串行接口芯片組成。
考慮到價(jià)格及采購(gòu)的便易，本控制板采用Ｗｉｎｂｏｎｄ的高速微處理器７７Ｅ５８，７７Ｅ５８的時(shí)鐘頻率為４０ＭＨｚ，每個(gè)機(jī)器周期為４時(shí)鐘周期。控制程序、ＡＳＣＩＩ字符的字型碼(２４×１２)以及中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通及中國(guó)電信的圖標(biāo)存放在７７Ｅ５８的內(nèi)部３２Ｋ字節(jié)的ＦＬＡＳＨ中，３２Ｋ的６２２５６靜態(tài)存儲(chǔ)器主要作為接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，５１２Ｋ的２９Ｃ０４０存放２４×２４點(diǎn)陣的國(guó)標(biāo)一、二級(jí)漢字字庫(kù)及１～３區(qū)的字符。ＸＣ９５３６實(shí)現(xiàn)的功能主要有：擴(kuò)展７７Ｅ５８地址線以訪問(wèn)２９Ｃ０４０、并行接口數(shù)據(jù)的鎖存及控制、部分熱敏頭控制信號(hào)的產(chǎn)生等。
圖4走紙電機(jī)控制電路
將內(nèi)存的點(diǎn)行緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輸出到打印頭的移位寄存器中，可以有不同的方式。一種是用外加７４ＬＳ１６６移位寄存器，但這種方法會(huì)導(dǎo)致外圍電路復(fù)雜；第二種可采用ＤＳＰ控制器本身的串行同步口進(jìn)行傳送。本控制板直接采用單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口線，用軟件移位的方法，將要打印的字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)移到打印頭的寄存器中。本控制板采用先進(jìn)的控制方式，即利用行式熱敏打印機(jī)的雙緩沖寄存器結(jié)構(gòu)，在給打印頭加熱時(shí)，ＣＰＵ進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。采用４０ＭＨｚ的７７Ｅ５８，傳送５７６個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（７２字節(jié)）的時(shí)間小于打印頭的加熱時(shí)間(一般為１ｍｓ左右)，故這種方法既接口簡(jiǎn)單又不影響打印速度。
３．２走紙電機(jī)控制電路
�。蹋裕校玻常矗沧呒堧姍C(jī)采用的是雙極斬波驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，本控制板采用三菱公司的步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路Ｍ５４６４６來(lái)驅(qū)動(dòng)走紙電機(jī)，控制電路如圖４所示。Ｍ５４６４６為恒流斬波驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制芯片，通過(guò)控制ＶＲ腳的電壓控制供給步進(jìn)電機(jī)的電流。一般來(lái)說(shuō)，供給的電流越大，步進(jìn)電機(jī)的力矩越大，但走紙?jiān)胍粢苍酱蟆Ｔ谀軒?dòng)打印紙的情況下，應(yīng)盡量采用較小的供電電流。通過(guò)ＶＲ１與ＶＲ２的組合，可以給５４６４６提供不同的基準(zhǔn)電壓ＶＲ，從而給走紙電機(jī)提供不同的供電電流。
�。常炒蛴☆^保護(hù)及頭溫測(cè)量電路
對(duì)打印頭的保護(hù)是打印機(jī)控制板好壞的重要標(biāo)志。由于行式熱敏打印機(jī)對(duì)發(fā)熱元件的加熱時(shí)間都是毫秒級(jí)，如果對(duì)發(fā)熱元件連續(xù)加熱超過(guò)１秒，將會(huì)燒壞打印頭，因此對(duì)打印頭的保護(hù)必須及時(shí)、可靠。
從行式打印機(jī)的原理圖中可以看出，要使發(fā)熱元件加熱，除寄存器中數(shù)據(jù)點(diǎn)為高外，還必須將頭電壓Ｖｐ接到供電電源且ＤＳＴ腳為低電平。只要任一條件不滿足，就不可能給打印頭加熱，也就不會(huì)燒壞打印頭。一般電路都是用單片機(jī)控制ＤＳＴ及Ｖｐ電源，如果單片機(jī)正常工作，則可以保護(hù)打印頭，但如果單片機(jī)本身?yè)p壞，就很可能燒壞打印頭。本電路采用了雙重保護(hù)電路，ＤＳＴ由單片機(jī)控制，對(duì)Ｖｐ的控制則采用一種獨(dú)立于單片機(jī)的保護(hù)電路。保護(hù)電路如圖５所示。圖中打印頭的電源Ｖｐ是通過(guò)開(kāi)關(guān)管連接到供電電源，對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制是通過(guò)一個(gè)可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器?穴７４ＨＣ１２３?雪進(jìn)行的。當(dāng)在觸發(fā)器的２腳加入一個(gè)脈沖時(shí)，觸發(fā)器就會(huì)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通一定時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間由Ｃ３９和Ｒ３４決定。如果不在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，再在２腳繼續(xù)加入觸發(fā)脈沖，則開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。開(kāi)始上電時(shí)由復(fù)位信號(hào)加到觸發(fā)器的３腳，使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。這樣如果單片機(jī)損壞，則不可能復(fù)位后在２腳產(chǎn)生脈沖信號(hào)，開(kāi)關(guān)管也就不可能導(dǎo)通。這種雙重保護(hù)電路大大提高了保護(hù)打印頭的可靠性，在本控制板的實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的保護(hù)效果。
圖5打印頭保護(hù)及頭溫測(cè)量電路
由于對(duì)頭溫檢測(cè)的精度要求不是很高，本電路采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。打印頭的溫度傳感器的信號(hào)連到ＴＨ腳，溫度越高，ＴＨ電位越高。轉(zhuǎn)換前將ＴＥＭＰ腳置低，轉(zhuǎn)換時(shí)將ＴＥＭＰ腳置高，這樣就通過(guò)電阻Ｒ２２對(duì)電容Ｃ１３進(jìn)行充電。單片機(jī)每隔一定時(shí)間采集一次ＴＥ＿ＭＰＯ狀態(tài)，這樣溫度越高，比較器輸出電位翻轉(zhuǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)，從而采集的數(shù)據(jù)越大。
４軟件設(shè)計(jì)
軟件的主要功能是接收來(lái)自主機(jī)通過(guò)串口或并口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后判斷數(shù)據(jù)的類(lèi)型。如果是可打印的字符，則從ＦＬＡＳＨ中取出各字符的字形碼，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后送往打印頭的行緩沖區(qū)進(jìn)行打印；如果數(shù)據(jù)是控制命令，則轉(zhuǎn)到相應(yīng)控制命令的執(zhí)行程序。本控制板實(shí)現(xiàn)了英文和漢字的混合打印。限于篇幅，程序框圖及程序清單省略，感興趣的讀者可與作者聯(lián)系。
使用７７Ｅ５８微處理器開(kāi)發(fā)的高速行式熱敏打印機(jī)控制板具有打印速度快、打印頭保護(hù)功能可靠、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，已在電信部門(mén)的１０００多家電信營(yíng)業(yè)廳得到應(yīng)用，取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
本打印機(jī)采用的是日本精工ＬＴＰ２３４２熱敏打印頭，其打印速度最快為７５ｍｍ／ｓ，即６００點(diǎn)行／秒，按打�。玻础粒玻袋c(diǎn)陣的漢字字符計(jì)算，行間距為４，則打印速度為６００／（２４＋４）＝２１行／秒。如果要開(kāi)發(fā)速度更快的熱敏打印機(jī)，就應(yīng)選用速度更快的熱敏打印頭，如EPSON532（150mm/s）或日本精工LTPF347（220mm/s），同時(shí)也應(yīng)選擇更高性能的微處理器（如Dallas的89C420或32位的微處理器）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸。
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