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基于77E58的高速行式熱敏打印機控制板的研制
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構，實現了打印頭加熱和數據傳送同步進行，簡化了電路設計，提高了打印速度；對打印頭的保護采用一種獨立于單片機的雙重保護電路，提高了對打印頭保護的可靠性。介紹了行式熱敏打印的原理、高速熱敏打印機控制板的硬件和軟件設計。關鍵詞：熱敏打印機熱敏行式打印機微型打印機高速
熱敏打印機具有噪音低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等優點，目前已在ＰＯＳ終端系統、銀行系統、醫療儀器等領域得到廣泛應用。熱敏打印機根據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品，目前主要應用在一些對打印速度要求不高的場合，國內已有作者在其產品中使用。行式熱敏屬２０世紀９０年代技術，其打印速度比列式熱敏快得多，目前最快速度已達到２２０ｍｍ／秒。要實現高速熱敏打印，除了選取高速熱敏打印頭外，還必須有相應的控制板與之配合。由于其進口原裝控制板價格昂貴，且有的不支持漢字打印，因此受日本精工代理商的委托，開發了一種基于７７Ｅ５８的高速行式熱敏打印機控制板，該控制板具有打印速度快、性能穩定等特點，目前已在中國移動、中國聯通、中國電信等１０００多家營業廳的話費清單打印機中得到應用。
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７２ｍｍ的基體上均勻安裝了５７６個發熱元件。打印前將Ｖｐ連到打印機電源，要打印的數據在時鐘ＣＬＫ的配合下由ＤＡＴ端移到移位寄存器。當一個點行５７６位數據全部移到移位寄存器后，鎖存端(ＬＡＴＣＨ)為低，將移位寄存器的數據鎖存到鎖存寄存器；然后在數據選通端(ＤＳＴ)產生低電平，此時根據輸入的數據是１或０決定發熱元件是否發熱，從而在熱敏紙上產生要打印的點行。行式熱敏打印頭的控制信號的時序圖如圖２所示。
２高速行式熱敏打印機的實現方法
要實現行式熱敏打印機打印的高速化，在設計時必須考慮如下三方面的內容。
（１）選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、發熱元件的發熱效率、走紙電機的性能以及數據傳送方式等。因此要實現高速打印，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。
（２）選用高速微處理器及快速存儲器
熱敏打印機控制板的主要功能是接收由主機發來的數據，然后將每一個字符的字形碼從內存(ＲＯＭ)中取出，并按照一定格式放入內存?穴ＲＡＭ?雪中的打印點行緩沖區，最后將點行緩沖區的內容送到打印頭的移位寄存器中，進行加熱打印。打印的漢字采用２４×２４點陣，這樣對每一個漢字，就要先由該漢字的機內碼計算出存放在ＲＯＭ的地址，再從ＲＯＭ中讀取７２次數據，然后計算ＲＡＭ中的地址，往ＲＡＭ中寫入７２次數據。對于如此大量的數據存儲及轉換，必須采用高速的ＣＰＵ和存儲時間小的ＲＯＭ及ＲＡＭ，否則將在數據存儲及轉換上花費大量時間，從而降低打印速度。
（３）先進的控制模式
從熱敏打印頭的方面看，控制時序是如下進行的：數據傳送→數據鎖存→打印頭加熱→走紙，然后開始下一行的傳送和打印。數據鎖存是瞬間完成的，它的時間可以忽略不計，故對一般的控制模式，打印頭的主要時間分配如表１所示。
表1一般控制模式
第1行打印第2行打印數據傳送打印頭加熱走紙數據傳送打印頭加熱走紙
對于行式熱敏打印機，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特點，采用先進的控制模式，如表２所示。先進的控制模式就是在打印頭加熱時，ＣＰＵ完成下一行的數據轉換及數據傳送。
表2先進的控制模式
第1行打印第2行打印數據傳送打印頭加熱走紙打印頭加熱走紙CPU進行第2行數據轉換及數據傳送CPU進行第3行數據轉換及數據傳達
以ＬＴＰ２３４２打印頭為例比較兩種控制模式的打印速度。ＬＴＰ２３４２每一點行為５７６個點。假設數據的傳輸頻率為１ＭＨｚ，每一點行的加熱時間為１ｍｓ，走紙電機的驅動頻率為１５００ｐｐｓ,這樣用一般控制模式，打印每一點行的時間為：０．７６５＋１＋０．６６７＝２．４３ｍｓ，打印速度為４１０點行／秒；用先進的控制模式，打印每一點行的時間為：１＋０．６６７＝１．６６７ｍｓ，打印速度為５９９點行／秒。由此可見，控制模式對打印速度影響很大。
３硬件設計
本打印機控制板的硬件總體框圖如圖３所示。整個電路主要由主控電路、走紙電機控制及打印頭狀態檢測電路、打印頭保護電路及頭溫測量電路組成。
３．１主控電路
主控電路由微處理器、ＩＭＰ８１０復位芯片、６２２５６靜態存儲器、２９Ｃ０４０ＦＬＡＳＨ、ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、Ｍａｘ２３２串行接口芯片組成。
考慮到價格及采購的便易，本控制板采用Ｗｉｎｂｏｎｄ的高速微處理器７７Ｅ５８，７７Ｅ５８的時鐘頻率為４０ＭＨｚ，每個機器周期為４時鐘周期。控制程序、ＡＳＣＩＩ字符的字型碼(２４×１２)以及中國移動、中國聯通及中國電信的圖標存放在７７Ｅ５８的內部３２Ｋ字節的ＦＬＡＳＨ中，３２Ｋ的６２２５６靜態存儲器主要作為接收數據緩沖區，５１２Ｋ的２９Ｃ０４０存放２４×２４點陣的國標一、二級漢字字庫及１～３區的字符。ＸＣ９５３６實現的功能主要有：擴展７７Ｅ５８地址線以訪問２９Ｃ０４０、并行接口數據的鎖存及控制、部分熱敏頭控制信號的產生等。
圖4走紙電機控制電路
將內存的點行緩沖區的數據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，但這種方法會導致外圍電路復雜；第二種可采用ＤＳＰ控制器本身的串行同步口進行傳送。本控制板直接采用單片機的Ｉ／Ｏ口線，用軟件移位的方法，將要打印的字節數據轉換為串行數據移到打印頭的寄存器中。本控制板采用先進的控制方式，即利用行式熱敏打印機的雙緩沖寄存器結構，在給打印頭加熱時，ＣＰＵ進行數據轉換和數據傳輸。采用４０ＭＨｚ的７７Ｅ５８，傳送５７６個點數據（７２字節）的時間小于打印頭的加熱時間(一般為１ｍｓ左右)，故這種方法既接口簡單又不影響打印速度。
３．２走紙電機控制電路
ＬＴＰ２３４２走紙電機采用的是雙極斬波驅動的步進電機，本控制板采用三菱公司的步進電機專用驅動電路Ｍ５４６４６來驅動走紙電機，控制電路如圖４所示。Ｍ５４６４６為恒流斬波驅動的步進電機控制芯片，通過控制ＶＲ腳的電壓控制供給步進電機的電流。一般來說，供給的電流越大，步進電機的力矩越大，但走紙噪音也越大。在能帶動打印紙的情況下，應盡量采用較小的供電電流。通過ＶＲ１與ＶＲ２的組合，可以給５４６４６提供不同的基準電壓ＶＲ，從而給走紙電機提供不同的供電電流。
３．３打印頭保護及頭溫測量電路
對打印頭的保護是打印機控制板好壞的重要標志。由于行式熱敏打印機對發熱元件的加熱時間都是毫秒級，如果對發熱元件連續加熱超過１秒，將會燒壞打印頭，因此對打印頭的保護必須及時、可靠。
從行式打印機的原理圖中可以看出，要使發熱元件加熱，除寄存器中數據點為高外，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，也就不會燒壞打印頭。一般電路都是用單片機控制ＤＳＴ及Ｖｐ電源，如果單片機正常工作，則可以保護打印頭，但如果單片機本身損壞，就很可能燒壞打印頭。本電路采用了雙重保護電路，ＤＳＴ由單片機控制，對Ｖｐ的控制則采用一種獨立于單片機的保護電路。保護電路如圖５所示。圖中打印頭的電源Ｖｐ是通過開關管連接到供電電源，對開關管的控制是通過一個可重觸發的單穩觸發器?穴７４ＨＣ１２３?雪進行的。當在觸發器的２腳加入一個脈沖時，觸發器就會控制開關管導通一定時間，導通時間由Ｃ３９和Ｒ３４決定。如果不在導通時間內，再在２腳繼續加入觸發脈沖，則開關管關斷。開始上電時由復位信號加到觸發器的３腳，使開關管關斷。這樣如果單片機損壞，則不可能復位后在２腳產生脈沖信號，開關管也就不可能導通。這種雙重保護電路大大提高了保護打印頭的可靠性，在本控制板的實際應用中取得了很好的保護效果。
圖5打印頭保護及頭溫測量電路
由于對頭溫檢測的精度要求不是很高，本電路采用軟件的方法實現Ａ／Ｄ轉換。打印頭的溫度傳感器的信號連到ＴＨ腳，溫度越高，ＴＨ電位越高。轉換前將ＴＥＭＰ腳置低，轉換時將ＴＥＭＰ腳置高，這樣就通過電阻Ｒ２２對電容Ｃ１３進行充電。單片機每隔一定時間采集一次ＴＥ＿ＭＰＯ狀態，這樣溫度越高，比較器輸出電位翻轉的時間越長，從而采集的數據越大。
４軟件設計
軟件的主要功能是接收來自主機通過串口或并口發來的數據，然后判斷數據的類型。如果是可打印的字符，則從ＦＬＡＳＨ中取出各字符的字形碼，并進行轉換，然后送往打印頭的行緩沖區進行打印；如果數據是控制命令，則轉到相應控制命令的執行程序。本控制板實現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系。
使用７７Ｅ５８微處理器開發的高速行式熱敏打印機控制板具有打印速度快、打印頭保護功能可靠、性能穩定的優點，已在電信部門的１０００多家電信營業廳得到應用，取得較好的社會效益和經濟效益。
本打印機采用的是日本精工ＬＴＰ２３４２熱敏打印頭，其打印速度最快為７５ｍｍ／ｓ，即６００點行／秒，按打印２４×２４點陣的漢字字符計算，行間距為４，則打印速度為６００／（２４＋４）＝２１行／秒。如果要開發速度更快的熱敏打印機，就應選用速度更快的熱敏打印頭，如EPSON532（150mm/s）或日本精工LTPF347（220mm/s），同時也應選擇更高性能的微處理器（如Dallas的89C420或32位的微處理器）來進行數據轉換及傳輸。
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