基于77E58的高速行式热敏打印机控制板的研制

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基于77E58的高速行式热敏打印机控制板的研制

摘要：基于77E58研制了一种高速行式热敏打印机控制板，打印速度为20行汉字／秒。充分利用行式热敏打印头的双缓冲结构，实现了打印头加热和数据传送同步进行，简化了电路设计，提高了打印速度；对打印头的保护采用一种独立于单片机的双重保护电路，提高了对打印头保护的可靠性。介绍了行式热敏打印的原理、高速热敏打印机控制板的硬件和软件设计。    关键词：热敏打印机 热敏行式打印机 微型打印机 高速
热敏打印机具有噪音低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等优点，目前已在ＰＯＳ终端系统、银行系统、医疗仪器等领域得到广泛应用。热敏打印机根据其热敏元件的排列方式可分为行式热敏(Ｔｈｅｒｍａｌ Ｌｉｎｅ Ｄｏｔ Ｓｙｓｔｅｍ)和列式热敏（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｄｏｔ Ｓｙｓｔｅｍ）。列式热敏属于早期产品，目前主要应用在一些对打印速度要求不高的场合，国内已有作者在其产品中使用。行式热敏属２０世纪９０年代技术，其打印速度比列式热敏快得多，目前最快速度已达到２２０ｍｍ／秒。要实现高速热敏打印，除了选取高速热敏打印头外，还必须有相应的控制板与之配合。由于其进口原装控制板价格昂贵，且有的不支持汉字打印，因此受日本精工代理商的委托，开发了一种基于７７Ｅ５８的高速行式热敏打印机控制板，该控制板具有打印速度快、性能稳定等特点，目前已在中国移动、中国联通、中国电信等１０００多家营业厅的话费清单打印机中得到应用。
１ 行式热敏打印的原理
行式热敏打印头(ＬＴＰ２３４２)原理框图如图１所示。在一条长７２ｍｍ的基体上均匀安装了５７６个发热元件。打印前将Ｖｐ连到打印机电源，要打印的数据在时钟ＣＬＫ的配合下由ＤＡＴ端移到移位寄存器。当一个点行５７６位数据全部移到移位寄存器后，锁存端(ＬＡＴＣＨ)为低，将移位寄存器的数据锁存到锁存寄存器；然后在数据选通端(ＤＳＴ)产生低电平，此时根据输入的数据是１或０决定发热元件是否发热，从而在热敏纸上产生要打印的点行。行式热敏打印头的控制信号的时序图如图２所示。

２ 高速行式热敏打印机的实现方法
要实现行式热敏打印机打印的高速化，在设计时必须考虑如下三方面的内容。
（１）选用高速行式热敏打印头
虽然行式热敏打印比列式的速度快，但不同的行式热敏打印头的打印速度差别相当大，从最慢的２０ｍｍ／ｓ到最快的２２０ｍｍ／ｓ。速度的快慢主要取决于打印头的工作电压、发热元件的发热效率、走纸电机的性能以及数据传送方式等。因此要实现高速打印，必须选取高速的热敏打印头，如日本精工(ＳＩＩ)的ＬＴＰ２３４２(７５ｍｍ／ｓ)、ＬＴＰＦ３４７(２２０ｍｍ／ｓ)、日本ＥＰＳＯＮ的５３２(１５０ｍｍ／ｓ)等。

    （２）选用高速微处理器及快速存储器
热敏打印机控制板的主要功能是接收由主机发来的数据，然后将每一个字符的字形码从内存(ＲＯＭ)中取出，并按照一定格式放入内存?穴ＲＡＭ?雪中的打印点行缓冲区，最后将点行缓冲区的内容送到打印头的移位寄存器中，进行加热打印。打印的汉字采用２４×２４点阵，这样对每一个汉字，就要先由该汉字的机内码计算出存放在ＲＯＭ的地址，再从ＲＯＭ中读取７２次数据，然后计算ＲＡＭ中的地址，往ＲＡＭ中写入７２次数据。对于如此大量的数据存储及转换，必须采用高速的ＣＰＵ和存储时间小的ＲＯＭ及ＲＡＭ，否则将在数据存储及转换上花费大量时间，从而降低打印速度。
（３）先进的控制模式
从热敏打印头的方面看，控制时序是如下进行的：数据传送→数据锁存→打印头加热→走纸，然后开始下一行的传送和打印。数据锁存是瞬间完成的，它的时间可以忽略不计，故对一般的控制模式，打印头的主要时间分配如表１所示。

表1 一般控制模式

第1行打印			第2行打印
数据传送	打印头加热	走纸	数据传送	打印头加热	走纸

对于行式热敏打印机，为了提高打印速度，都采用双缓冲寄存器。因此必须充分利用这个特点，采用先进的控制模式，如表２所示。先进的控制模式就是在打印头加热时，ＣＰＵ完成下一行的数据转换及数据传送。

表2 先进的控制模式

第1行打印			第2行打印
数据传送	打印头加热	走纸	打印头加热	走纸
	CPU进行第2行数据转换及数据传送		CPU进行第3行数据转换及数据传达

以ＬＴＰ２３４２打印头为例比较两种控制模式的打印速度。ＬＴＰ２３４２每一点行为５７６个点。假设数据的传输频率为１ＭＨｚ，每一点行的加热时间为１ｍｓ，走纸电机的驱动频率为１５００ｐｐｓ,这样用一般控制模式，打印每一点行的时间为：０．７６５＋１＋０．６６７＝２．４３ｍｓ，打印速度为４１０点行／秒；用先进的控制模式，打印每一点行的时间为：１＋０．６６７＝１．６６７ｍｓ，打印速度为５９９点行／秒。由此可见，控制模式对打印速度影响很大。
３ 硬件设计
本打印机控制板的硬件总体框图如图３所示。整个电路主要由主控电路、走纸电机控制及打印头状态检测电路、打印头保护电路及头温测量电路组成。
３．１ 主控电路
主控电路由微处理器、ＩＭＰ８１０复位芯片、６２２５６静态存储器、２９Ｃ０４０ＦＬＡＳＨ、ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、Ｍａｘ２３２串行接口芯片组成。
考虑到价格及采购的便易，本控制板采用Ｗｉｎｂｏｎｄ的高速微处理器７７Ｅ５８，７７Ｅ５８的时钟频率为４０ＭＨｚ，每个机器周期为４时钟周期。控制程序、ＡＳＣＩＩ字符的字型码(２４×１２)以及中国移动、中国联通及中国电信的图标存放在７７Ｅ５８的内部３２Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ中，３２Ｋ的６２２５６静态存储器主要作为接收数据缓冲区，５１２Ｋ的２９Ｃ０４０存放２４×２４点阵的国标一、二级汉字字库及１～３区的字符。ＸＣ９５３６实现的功能主要有：扩展７７Ｅ５８地址线以访问２９Ｃ０４０、并行接口数据的锁存及控制、部分热敏头控制信号的产生等。


图4 走纸电机控制电路

    将内存的点行缓冲区的数据输出到打印头的移位寄存器中，可以有不同的方式。一种是用外加７４ＬＳ１６６移位寄存器，但这种方法会导致外围电路复杂；第二种可采用ＤＳＰ控制器本身的串行同步口进行传送。本控制板直接采用单片机的Ｉ／Ｏ口线，用软件移位的方法，将要打印的字节数据转换为串行数据移到打印头的寄存器中。本控制板采用先进的控制方式，即利用行式热敏打印机的双缓冲寄存器结构，在给打印头加热时，ＣＰＵ进行数据转换和数据传输。采用４０ＭＨｚ的７７Ｅ５８，传送５７６个点数据（７２字节）的时间小于打印头的加热时间(一般为１ｍｓ左右)，故这种方法既接口简单又不影响打印速度。
３．２ 走纸电机控制电路
ＬＴＰ２３４２走纸电机采用的是双极斩波驱动的步进电机，本控制板采用三菱公司的步进电机专用驱动电路Ｍ５４６４６来驱动走纸电机，控制电路如图４所示。Ｍ５４６４６为恒流斩波驱动的步进电机控制芯片，通过控制ＶＲ脚的电压控制供给步进电机的电流。一般来说，供给的电流越大，步进电机的力矩越大，但走纸噪音也越大。在能带动打印纸的情况下，应尽量采用较小的供电电流。通过ＶＲ１与ＶＲ２的组合，可以给５４６４６提供不同的基准电压ＶＲ，从而给走纸电机提供不同的供电电流。
３．３ 打印头保护及头温测量电路
对打印头的保护是打印机控制板好坏的重要标志。由于行式热敏打印机对发热元件的加热时间都是毫秒级，如果对发热元件连续加热超过１秒，将会烧坏打印头，因此对打印头的保护必须及时、可靠。
从行式打印机的原理图中可以看出，要使发热元件加热，除寄存器中数据点为高外，还必须将头电压Ｖｐ接到供电电源且ＤＳＴ脚为低电平。只要任一条件不满足，就不可能给打印头加热，也就不会烧坏打印头。一般电路都是用单片机控制ＤＳＴ及Ｖｐ电源，如果单片机正常工作，则可以保护打印头，但如果单片机本身损坏，就很可能烧坏打印头。本电路采用了双重保护电路，ＤＳＴ由单片机控制，对Ｖｐ的控制则采用一种独立于单片机的保护电路。保护电路如图５所示。图中打印头的电源Ｖｐ是通过开关管连接到供电电源，对开关管的控制是通过一个可重触发的单稳触发器?穴７４ＨＣ１２３?雪进行的。当在触发器的２脚加入一个脉冲时，触发器就会控制开关管导通一定时间，导通时间由Ｃ３９和Ｒ３４决定。如果不在导通时间内，再在２脚继续加入触发脉冲，则开关管关断。开始上电时由复位信号加到触发器的３脚，使开关管关断。这样如果单片机损坏，则不可能复位后在２脚产生脉冲信号，开关管也就不可能导通。这种双重保护电路大大提高了保护打印头的可靠性，在本控制板的实际应用中取得了很好的保护效果。


图5 打印头保护及头温测量电路

    由于对头温检测的精度要求不是很高，本电路采用软件的方法实现Ａ／Ｄ转换。打印头的温度传感器的信号连到ＴＨ脚，温度越高，ＴＨ电位越高。转换前将ＴＥＭＰ脚置低，转换时将ＴＥＭＰ脚置高，这样就通过电阻Ｒ２２对电容Ｃ１３进行充电。单片机每隔一定时间采集一次ＴＥ＿ＭＰＯ状态，这样温度越高，比较器输出电位翻转的时间越长，从而采集的数据越大。
４ 软件设计
软件的主要功能是接收来自主机通过串口或并口发来的数据，然后判断数据的类型。如果是可打印的字符，则从ＦＬＡＳＨ中取出各字符的字形码，并进行转换，然后送往打印头的行缓冲区进行打印；如果数据是控制命令，则转到相应控制命令的执行程序。本控制板实现了英文和汉字的混合打印。限于篇幅，程序框图及程序清单省略，感兴趣的读者可与作者联系。
使用７７Ｅ５８微处理器开发的高速行式热敏打印机控制板具有打印速度快、打印头保护功能可靠、性能稳定的优点，已在电信部门的１０００多家电信营业厅得到应用，取得较好的社会效益和经济效益。
本打印机采用的是日本精工ＬＴＰ２３４２热敏打印头，其打印速度最快为７５ｍｍ／ｓ，即６００点行／秒，按打印２４×２４点阵的汉字字符计算，行间距为４，则打印速度为６００／（２４＋４）＝２１行／秒。如果要开发速度更快的热敏打印机，就应选用速度更快的热敏打印头，如EPSON532（150mm/s）或日本精工LTPF347（220mm/s），同时也应选择更高性能的微处理器（如Dallas的89C420或32位的微处理器）来进行数据转换及传输。