微型串口打印機應用案例分析 - 全文

　??? 常見的針式微型打印機速度慢、噪聲大、打印頭損耗快，無法滿足日常某些場合的應用。因此熱敏式微型打印機以其體積小、打印速度快、噪聲低、可靠性高、字跡清晰等優(yōu)點，獲得了人們應用的青睞。熱敏式目前已在銷售點終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、電信、餐飲、娛樂、自助查詢、排隊取號等領域中得到了廣泛的應用。微型熱敏打印機作為打印設備，除了需要熱敏打印頭外，還必須與相應的控制板配合。由于進口原裝控制板價格昂貴，功耗高，且不支持漢字打印。為此以下將詳細闡述基于EFM32TG222F16的串口微打模塊方案。

　　系統(tǒng)框架

　　基于EFM32TG222的串行微打模塊系統(tǒng)主要包括MCU、字庫芯片、熱敏機芯(加熱控制、溫度檢測、滾筒檢測、缺紙檢測、步進電機驅動)、RS232接口電路，共4個部分。

?

　　微型打印機結構框圖

　　系統(tǒng)硬件設計

　　1、微型打印機機芯

　　LT2221打印機芯是一種小型、輕便、帶有一行熱敏單元的行式熱敏打印機芯。它在POS終端、測量器械、醫(yī)療領域和數(shù)據(jù)通信等領域有廣泛的應用。

　　LT2221微型打印機機芯特性：體積小和重量輕;方便進紙;高速打印(最大打印速度：1200點行/秒);每毫米8點的高清晰打印;打印紙寬58mm;簡單的機械裝置，打印頭壽命長，高可靠性保證;備有打印頭清理裝置，打印頭維護簡單;兼容多種打印紙如：普通紙、高靈敏度保存紙、雙色紙等等。

　　2、打印頭加熱電流控制電路

　　打印頭加熱控制電路根據(jù)實時的需要，由控制器I/O口引腳來控制打印機的電源，打印時通電;不打印時斷電。一般電路是由主控芯片控制STB及VP電源，如果主控芯片正常工作，則可以保護打印頭，但如果主控芯片本身被其他因素導致?lián)p壞，就很可能燒壞打印頭。本設計中，采用了雙重保護電路，STB信號由主控制芯片EFM32TG222控制，對VP的控制則采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器搭建獨立于主控器的保護電路。這種雙重保護電路大大提高了保護打印頭的可靠性，起到很好的保護效果。

　　3、溫度檢測電路

　　LT2221熱敏打印頭內(nèi)置一個熱敏電阻，其阻值隨著溫度變化而變化，溫度越高電阻越小。通過A/D轉換器采集熱敏電阻兩端的電壓，查表即可獲得熱敏打印頭的溫度，實現(xiàn)對熱敏打印頭溫度的檢測，進而起到對熱敏頭的過熱保護作用。EFM32TG222含有1個8通道低功耗350μA、12位1Msps速率的A/D轉換器，可實現(xiàn)高速采樣，實時性非常高。

　　4、缺紙檢測電路

　　打印機打印前，缺紙檢測電路自動檢測紙張有無，出現(xiàn)異常(紙盡)，打印中止，防止缺紙情況下進行打印，如果在缺紙的情況下一直打印，會導致熱敏頭損壞。本設計的LT2221打印頭機芯內(nèi)缺紙檢測采用的傳感器為反射式光電耦合器。打印機工作時，如果有紙，打印紙從光電耦合器的表面通過，光電耦合器中發(fā)光二極管發(fā)出的光通過打印紙反射到光敏三極管，使光敏三極管導通，PAPER_SHORT端輸出高電平信號;若無紙，光敏三極管因接收不到光而截止，PAPER_SHORT端輸出低電平信號，當控制器確認紙盡時，立刻點亮缺紙指示燈，同時停止打印。

　　5、滾筒打開檢測電路

　　LT2221打印機芯有一個滾筒位置傳感開關，打印機和紙張切割器應用設計為無論什么情況下滾筒打開的時候紙張切割器的電源應該斷開。打印機工作時，如果滾筒打開，COVER_OPEN端輸出高電平信號，當控制器確認滾筒打開時，立刻停止打印;若滾筒閉合，COVER_OPEN端輸出低電平信號。

　　6、驅動機芯步進電機

　　LT2221熱敏打印機芯的進紙操作由機芯內(nèi)的步進電機完成。LT2221步進電機的驅動電路原理圖，原理圖如下圖所示。

?

　　步進電機驅動電路原理圖

　　驅動電路由A3967步進電機驅動芯片構成，A3967是一種內(nèi)嵌邏輯變換的完全步進電機驅動芯片。驅動電路的接口信號說明如下表所示。當電機驅動芯片的STEP端輸入信號的上升沿來臨時，電機會轉動一步。

　　7、字庫芯片驅動

　　微型打印機采用字庫芯片GT21L24S1W實現(xiàn)對字庫數(shù)據(jù)的提取。GT21L24S1W是一款內(nèi)含24*24點陣的漢字芯片，支持GB2312國標簡體漢字、ASCII字符。排列格式為橫置橫排。通過字符內(nèi)碼，利用數(shù)據(jù)手冊提供的方法計算出該字符點陣在芯片中的地址，就可從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。

　　字庫芯片GT21L24S1W芯片采用SPI串行總線接口，節(jié)省I/O口;時鐘頻率最大可達30MHz,可實現(xiàn)快速點陣數(shù)據(jù)讀取。

　　軟件設計流程

　　在微型串口熱敏打印機的控制中，程序按照功能不同，可以劃分為以下5個模塊：

　　數(shù)據(jù)接收模塊：接收上位機的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)。

　　數(shù)據(jù)處理模塊：從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，若是命令字則轉去執(zhí)行相應的命令程序;若是可打印字符或漢字則從字庫讀取出其相應的打印點陣數(shù)據(jù)，放入打印緩沖區(qū)。

　　熱敏打印頭過熱保護模塊：熱敏打印頭溫度過高時，切斷打印頭電源，停止打印，保護打印頭。

　　檢測模塊：實時檢測滾筒狀態(tài)以及紙張情況，當滾筒打開或者缺紙時，都要切斷電源，停止打印。

　　打印數(shù)據(jù)模塊：完成打印數(shù)據(jù)加載、鎖存，控制打印頭加熱以及驅動步進電機走紙。

　　方案優(yōu)勢

　　相對于傳統(tǒng)的8位、16位單片機實現(xiàn)的微型打印機方案，基于EFM32實現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢：

　　超低功耗，在手持產(chǎn)品中優(yōu)勢突出;

　　EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，它具有5種功耗模式，在RTC在運行，LEUART、LCD控制器、DMA可運行的EM2模式下，功耗電流僅為900nA,在關斷模式Em4,功耗電流僅20nA.優(yōu)異的MCU低功耗特性將為延長產(chǎn)品的電池壽命起到極其關鍵的作用。為了滿足低功耗應用場合的需求，EFM32具有完善的低功耗工作機制和極低功耗的外設，通過PRS與DMA的結合，串行口喚醒系統(tǒng)極其方便。

　　EFM32具有低功耗性能優(yōu)異的外設：片上12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗電流僅需350μA;模擬比較器工作僅需100nA;全功能的LEUART,在9600bps的速率下，功耗電流僅需150nA;AES執(zhí)行128/256bit AES加/解密僅需54/75個時鐘周期，可結合芯片唯一ID對芯片進行軟件代碼加密功能。

　　高集成度、高性能，極快的打印處理速度;

　　EFM32是Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)核的指令效率以及代碼密度比傳統(tǒng)的8位單片機高，尤其是在算法處理方面具有比較大的優(yōu)勢。EFM32具有更快地處理、響應外設事件的能力，它的UART接口最高速率達8Mbit/s,極強的打印數(shù)據(jù)傳輸能力;便捷的位帶操作，在打印處理復雜數(shù)據(jù)操作、打印效果時極其有優(yōu)勢。除此外，EFM32片上集成USB接口、LCD/TFT驅動器、智能卡ISO7816接口、IrDA調制解調模塊等資源，豐富的集成外設為不同的系統(tǒng)應用提供多樣性的選擇，例如EFM32單芯片完成手持POS方案、票務打印機方案等應用。

　　可擴展性良好;

　　EFM32的TG、G、GG系列之間具有良好的兼容性，同系列型號的芯片是pin-pin兼容，保證用戶在統(tǒng)一的硬件平臺上，可進行不同功能需求的裁剪。Flash資源從最低的4KB~1024KB,RAM資源從2KB~128KB.

　　總結

　　EFM32內(nèi)核采用運算控制性能突出的Cortex-M3設計，極大地提高了打印機的打印速度和豐富了可實現(xiàn)的打印效果，它的UART最高速率達8Mbit/s,為高速的打印數(shù)據(jù)傳輸提供了基礎。EFM32具有豐富的外設，為系統(tǒng)擴展功能及降低成本提供了條件。