USB接口便携微型针式打印机系统的设计＊

2012-10-27卢贶

武汉船舶职业技术学院学报 2012年5期

卢贶

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205）

微型打印机广泛使用在各行各业，比如仪器仪表、超级市场、便利店、邮政、银行、烟草专卖、公用事业抄表、移动警务系统、移动政务系统等等。配备了流行常用接口（如USB接口）的微型打印机，应用范围更是广泛：移动警务系统单据打印，如交警罚单打印；移动销售系统单据打印，如烟草销售系统；大企业移动配送系统单据打印；移动政务系统单据打印，如城管罚没单打印；公用事业费（水、电、煤气）抄收单据打印等配合其他移动数据处理终端的数据打印［1］。

1 设计概述

1.1 系统特点

本系统采用性价比高的摩托罗拉单片机MC68HC908AP64作为控制核心。通过片内PLL实现锁相环控制，具有在线编程功能。为了降低整机功耗，在一段时间无命令后，打印机自动进入节能模式。采用中功率电源适配器，配备储能电容，保证打印头在大电流情况工作时设备的稳定性，可取得较好的成本和性能平衡。通过片内A／D实现电源监控，判断电源电压低、电源过载等异常情况。USB接口使用菲利浦公司的芯片PDIUSBD12，符合USB1.1版的规范，采用模拟总线扩展，通过软件方式操作8位数据线及读写信号，控制USB专用芯片和其他逻辑芯片。在具有硬件看门狗，干扰很强的环境中仍能正常工作。系统通过软件、硬件的设计配合，具有较强的EMC性能［2］。

1.2 系统实现的性能指标

＊打印方法：九针列式双向打印

＊打印宽度：76mm

＊打印速度：约3行／秒

＊走纸速度：100mm／秒

＊打印字符：国标汉字一、二级字库，具有扩充能力

＊打印机可靠性：500万行（MCBF）

＊环境适应：工作温度：5～40℃，相对湿度：10～80%

1.3 工作原理

在该控制方案中打印机主要功能是通过USB接口从主机接收控制或者数据指令，解析该指令。根据不同的指令，执行从字库中取得字符点阵、控制电机芯片等功能。然后驱动字车马达和进纸马达转动以及打印头上9根针的撞击打印，从而在纸上显示出我们所需要的一些直观的字符或图形。

1.4 系统框图

系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.5 打印驱动工作原理

打印头有字车机构、打印针机构、走纸机构，以及打印头状态传感器。

打印头通过字车机构实现横向左、右移动，再由打印针撞击色带而印字。字车的动力源用步进电动机，通过传动装置将步进电动机的转动变为字车的横向移动。打印针是正确打印的关键，打印针机构实现打印针的出针和收针动作，通常利用电磁原理控制打印针的动作。当打印完一行后，由走纸机构走纸换行。走纸方式一般有摩擦走纸、齿轮馈送和压纸滚筒馈送等，本系统采用摩擦式走纸方式，其动力方式为通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动。

传感器有原始位置传感器（检测字车是否停在左边原始位置上）、纸尽传感器（检测所装的打印纸是否用完，用完则报警）和温度传感器（检测字车的瞬时温度）等。

2 硬件设计

2.1 主控电路图

主控电路图如图2所示。

USB接口电路图如图3所示。

（1）主控核心部分。采用摩托罗拉公司单片机MC68HC908AP64作为主控CPU，通过通讯接口模块从主机上接收命令或者数据，同时控制打印头驱动模块工作。

（2）打印头驱动和检测部分。打印头采用ESPON公司的产品，性能优良。采用专用的步进电机驱动芯片来驱动两个步进电机，达林顿管来驱动打印头上的打印针。

（3）USB通讯部分。采用菲利浦公司的PDIUSBD12芯片，符合USB1.1版的规范。

（4）串行大容量存储部分。采用SPI接口的串行FLASH存储器。容量可达1M字节，能存放国标一、二级字库。有自动地址增量（AAI）及小扇区擦除功能。通过软件设计，可以仿真EEPROM功能。

（5）按键和拨码开关部分通过动态扫描来控制按键，实时性高。使用拨码开关，可以设置不同的工作模式，使系统工作稳定、可靠。

（6）LED和蜂鸣器部分。上电LED指示。工作状态和故障LED指示，通过不同的闪烁频率，指示不同的故障原因。通过定时器产生一个固定频率的输出脉冲，控制蜂鸣器工作。

（7）电源部分。采用典型的经济型中功率电源设计，降压、整流、滤波、稳压。24V电源储能，在打印头短时间（毫秒级）大功率（约8A）工作时，提供储能电流，在成本不高的情况下，满足了打印头工作需要。电源检测部分包括电压检测、电流过载检测等。

（8）看门狗部分。在硬件上增加看门狗芯片，检测工作电压，发现电压波动较大时，使主控CPU停止工作；同时，检测主控CPU软件是否正常工作，出现异常，复位主控CPU。防止错误操作和发生不正常现象。

3 软件设计

3.1 软件结构及框图

图2 主控电路图

图3 USB接口电路图

软件结构分为字库和监控程序两大块，其中字库包括全部ASCII字符和国标一、二级字库，监控程序包括主控程序部分、协议命令分析部分、打印字符处理部分、底层驱动部分、中断服务处理部分等，对打印过程中的一些异常处理和信号状态检测放在中断服务处理程序中，每一个部分可以进一步划分成不同的模块子函数。所有程序都放置在单片机内部FLASH中［3］。软件设计主框图如图4所示。

3.2 程序模块说明

（1）协议命令分析：该部分主要对接收到的打印命令及后继数据进行分析，并根据解析结果来指引与打印操作相关的程序流向。

（2）打印字符处理：通过接收到的国标码配以固定算法计算出该字符在字符存储器中字模的起始地址，再取出该字符的字模数据存放到规定的寄存器中用以后面的操作。由于需要打印比较小而紧凑的字符，采用半点打印的方式，故要对16×16点阵的标准字模作出处理，使之转换为7×9点阵字模和半点间隔打印方式。ASCII字符则转换成5×7点阵字模［4］。

图4 软件设计主框图

（3）打印操作处理：根据控制字车电机和进纸电机两线圈中电流大小相位和脉冲时长间隔来控制字车在轴上来回的移动、速率大小和走纸的方向、速率大小。在进纸停止字车运动的过程中，根据时钟和每行打印数据来控制打印针出针。

（4）打印头检测：收到温度过高等信号后引起外部触发中断，单片机立即作出相应响应，停止打印，上报主机，待信号恢复正常后再继续工作。

（5）USB接口。将PDIUSBD12模块设计成完全的中断驱动，当MC68HC908AP64单片机处理前台任务时，USB的传输可在后台进行，这样有快的传输速率和好的软件结构，同时简化了编程和调试。这种结构，主循环不用理会数据来自USB、串口或者其他接口，只检查缓冲区内需要处理的新数据。USB各模块程序的框图如图5所示。