便携针式打印机的电路设计

文/李国育

现阶段，便携式打印机市场主要有喷墨、热敏、梭式等打印机。其中，便携式热敏打印机凭借自身技术的特点，在体积小巧、打印噪音低、打印速度高等方面有明显的优势，占据便携式打印领域的较大市场份额。随着国家行业和商业打印应用需求的不断发展，及移动互联、无线支付等应用的不断深入，多联打印和防伪发票、O2O高分辨率的二维码打印普遍使用。便携针式打印机不但拥有热敏打印机打印速度快、打印分辨率高等优点，还拥热敏打印机所没有的多联复写打印、打印内容保存时间长、使用成本低、环境适应性强等特点，十分适合这些方面的打印应用。

本研究的便携针式打印机使用6针打印头，支持USB、蓝牙、Wi-Fi等接口，内置3000毫安时锂电池，使用USB 5V和DC 12V充电。产品节能，待机时间长，打印速度快，拥有多联复写打印能力，打印内容持久保存，可轻松应对室内、外各种恶劣的使用环境。硬件设计将围绕这些功能特点开展。

1 硬件设计

便携针式打印机的硬件系统主要由控制系统和电源管理系统两方面组成。

1.1 控制系统方案

针对此便携针式打印机的特点，采用单MCU控制的方案，4M bytes Flash用于存放中西文字库、打印机的控制程序及打印机的内置参数，256K bytes SRAM用于打印机工作时的数据缓冲和接受缓存，传感器用于检测打印机的各种状态，详见图1。

以下对核心芯片进行选型。

1.1.1 MCU的选用

图1：硬件结构图

为在实现控制功能前提下，达到成本最优化的目的，主控MCU将使用NXP的LPC1100L。LPC1100L采 用Cortex-M0内 核ARM，是性价比低的32位MCU。其ARM性能卓越、简单易用、功耗低，能显著降低所有8位/16位应用的代码长度，是开发小巧、功耗低的电池供电的消费类产品、智能电表、电机控制等理想的解决方案。LPC1100L拥有丰富的接口，如128KB片内Flash程序存储器、8KB片内SRAM、一路I2C(FM+)、一路RS-485/EIA-485 UART、两路SSP、4个通用定时器以及多达54个通用I/O口。

1.1.2 电机的控制与驱动

步进电机与他的驱动是一个不可分割的整体。现阶段，步进电机的驱动方式主要分恒压驱动方式和恒流驱动方式。其中，恒流驱动方式主要通过集成芯片实现，根据步进电机线圈绕组的不同，分单极驱动和双极驱动两种类型。单极驱动对比双极驱动，驱动管少一倍，相电流流通驱动管的数量也减少一倍，因此芯片可便于集成化，芯片的发热量较小，可输出较大的相电流，但步进电机线圈相绕组的利用率比双极驱动低。不同驱动方式在步进电机性能上的差异，不仅体现在输出力矩的大小及高频特性上，还体现在电机反应速度、消除电机运转过程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面 。应用上，单极驱动一般用于高转速领域，而双极驱动一般用于低转速领域。但随着集成电路的不断发展，双极驱动的弊端逐渐被克服，现阶段的大部分步进电机使用双极恒流驱动的形式。本便携针式打印机的电机驱动主要包括字车电机驱动和走纸电机驱动两部分，具体控制由MCU完成。考虑到打印速度与与成本问题，电机的驱动使用双极恒流控制的方式，通过DRV8825芯片驱动步进马达动作。

DRV8825是IT公司推出的一款双极性恒流驱动芯片，其控制简单，输出电流大，最高可实现32微步，带芯片过热、过流保护等功能。可广泛用于各种办公自动化设备、监控设备等。

只需在DRV8825的管脚STEP输入脉冲时序信号，即可实现步进电机的速度控制，同时参考管脚AVERF和BVERF的电平大小，自动调整输出电流，控制步进电机输出力矩。电机动作的方式将根据管脚MODE1、MODE2、MODE3的电平确认微步形式(实现全步到32微步的控制)，根据管脚DIR确定转动方向。当DRV8825芯片发热厉害或输出电流过大时，会进入自我保护模式，停止电机电流输出，并将管脚nFAULT输出低电平。相电流的计算公式为ICHOP=VREF/(5*RISENSE)。

不同驱动方式在步进电机性能上的差异，不仅体现在输出力矩的大小及高频特性上，还体现在电机反应速度、消除电机运转过程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面 。DRV8825控制简单，可实现微步控制，且带有各种保护功能，十分适用于步进电机的恒流驱动方式的应用。

1.1.3 打印针的控制与驱动

打印头采用单端控制的恒压驱动方式，主控MCU控制6片NPN达林顿管（2SD2170）的开关驱动打印针出针。这种控制与驱动方法，有利于以较低的硬件成本实现打印针的控制。

当控制信号为高点平时，三极管导通，打印头线圈充电，线圈电流随着导通时间而上升，产生磁力驱动打印针出针打印；当控制信号为低电平时，三极管截止，打印头针线圈的反冲电动势升高，线圈通过内线在2SD2170的稳压二极管ZD1向驱动电源反向放电，反冲电动势和电流逐渐减小，打印针收针。按此原理，打印针随着控制信号的电平变化，依次完成出针和收针的动作，实现打印。

1.1.4 通信接口

MCU LPC1100L支持USB 2.0全速接口，因此USB从MCU的USB接口直接引出。

Wi-Fi选 用MT7620A硬件方案。MT7620A是一款SOC芯片，芯片集成了CPU、Baseband、Radio等 功 能。MT7620芯片上路由器包括802.11nMAC和基带、2.4GHz无线电和FEM、580 MHz MIPS 24K™CPU核心、一个5端口10/100交换机和两个RGMII。MT 7620包括从单个芯片构建AP路由器所需的一切。嵌入式高性能cpu可以毫不费力地处理高级应用，如路由、安全和voip。MT 7620还包括支持多种应用程序的接口选择，例如用于访问外部存储的usb端口。

蓝牙使用双模蓝牙模块I482E-S。i482e是一款蓝牙4.0+EDR双模模组，支持 2.4GHz ISM band Class 2，内置天线，集成了蓝牙协议栈，支持经典蓝牙和蓝牙4.0协议，支持SPP和GATT，可与安卓手机/平板、iPhone、iPad进行双向数据透传。集成了i482e的终端产品无需集成苹果CP IC和过MFi认证。

1.2 电源管理系统

电源管理是硬件系统的核心，包括锂电池，锂电保护电路，锂电充电电路，电源转换电路等。充电电路是电源管理的核心部分，因此对电源模块的充电电路中的充电芯片进行方案分析和选择是电源模块设计研究的主要内容。本便携针式打印机的打印头、电机工作电压为12V，通讯接口的工作电压为5V，其他MCU、Flash等主要芯片工作电压为3.3V，电池8.4V充电。对此，电源管理系统将针对不同的充电接口，分开两路。第一路是USB接口或通用充电器提供5V输入，升压至8.4V(可使用AXE公司的AX5523)，然后使用锂电池专用充电管理芯片(可使用MPS公司的MP2615)对锂电池进行充电，将锂电池输出的7.4V升压至12V(可使用AXE公司的AX5201)，供打印头、电机等使用，并通过DC/DC（可使用矽力杰公司的SY8113BADC)和LDO降压(可使用UTC公司的LD1117AG)，提供5v和3.3v电源给通讯接口和各主要芯片使用；另一路是12VDC直流输入，给锂电管理芯片对锂电池充电，同时直接供电给打印头、电机等使用，5V和3.3V通过DC/DC和LDO降压实现。待机时，MCU会进入休眠模式，并关闭部分芯片的工作实现最低功耗。

2 结论

本硬件方案通过硬件系统和电源控制系统的有效配合，实现了便携针式打印机的设计，满足了便携针式打印机低功耗，打印质量好，方便携带，充电适应性强，支持多种接口的无线打印需求，拥有较强的可行性。