微型串口打印机应用案例分析 - 全文

　    常见的针式微型打印机速度慢、噪声大、打印头损耗快，无法满足日常某些场合的应用。因此热敏式微型打印机以其体积小、打印速度快、噪声低、可靠性高、字迹清晰等优点，获得了人们应用的青睐。热敏式目前已在销售点终端系统、银行系统、医疗仪器、电信、餐饮、娱乐、自助查询、排队取号等领域中得到了广泛的应用。微型热敏打印机作为打印设备，除了需要热敏打印头外，还必须与相应的控制板配合。由于进口原装控制板价格昂贵，功耗高，且不支持汉字打印。为此以下将详细阐述基于EFM32TG222F16的串口微打模块方案。

　　系统框架

　　基于EFM32TG222的串行微打模块系统主要包括MCU、字库芯片、热敏机芯(加热控制、温度检测、滚筒检测、缺纸检测、步进电机驱动)、RS232接口电路，共4个部分。

　　微型打印机结构框图

　　系统硬件设计

　　1、微型打印机机芯

　　LT2221打印机芯是一种小型、轻便、带有一行热敏单元的行式热敏打印机芯。它在POS终端、测量器械、医疗领域和数据通信等领域有广泛的应用。

　　LT2221微型打印机机芯特性：体积小和重量轻;方便进纸;高速打印(最大打印速度：1200点行/秒);每毫米8点的高清晰打印;打印纸宽58mm;简单的机械装置，打印头寿命长，高可靠性保证;备有打印头清理装置，打印头维护简单;兼容多种打印纸如：普通纸、高灵敏度保存纸、双色纸等等。

　　2、打印头加热电流控制电路

　　打印头加热控制电路根据实时的需要，由控制器I/O口引脚来控制打印机的电源，打印时通电;不打印时断电。一般电路是由主控芯片控制STB及VP电源，如果主控芯片正常工作，则可以保护打印头，但如果主控芯片本身被其他因素导致损坏，就很可能烧坏打印头。本设计中，采用了双重保护电路，STB信号由主控制芯片EFM32TG222控制，对VP的控制则采用单稳态触发器搭建独立于主控器的保护电路。这种双重保护电路大大提高了保护打印头的可靠性，起到很好的保护效果。

　　3、温度检测电路

　　LT2221热敏打印头内置一个热敏电阻，其阻值随着温度变化而变化，温度越高电阻越小。通过A/D转换器采集热敏电阻两端的电压，查表即可获得热敏打印头的温度，实现对热敏打印头温度的检测，进而起到对热敏头的过热保护作用。EFM32TG222含有1个8通道低功耗350μA、12位1Msps速率的A/D转换器，可实现高速采样，实时性非常高。

　　4、缺纸检测电路

　　打印机打印前，缺纸检测电路自动检测纸张有无，出现异常(纸尽)，打印中止，防止缺纸情况下进行打印，如果在缺纸的情况下一直打印，会导致热敏头损坏。本设计的LT2221打印头机芯内缺纸检测采用的传感器为反射式光电耦合器。打印机工作时，如果有纸，打印纸从光电耦合器的表面通过，光电耦合器中发光二极管发出的光通过打印纸反射到光敏三极管，使光敏三极管导通，PAPER_SHORT端输出高电平信号;若无纸，光敏三极管因接收不到光而截止，PAPER_SHORT端输出低电平信号，当控制器确认纸尽时，立刻点亮缺纸指示灯，同时停止打印。

　　5、滚筒打开检测电路

　　LT2221打印机芯有一个滚筒位置传感开关，打印机和纸张切割器应用设计为无论什么情况下滚筒打开的时候纸张切割器的电源应该断开。打印机工作时，如果滚筒打开，COVER_OPEN端输出高电平信号，当控制器确认滚筒打开时，立刻停止打印;若滚筒闭合，COVER_OPEN端输出低电平信号。

　　6、驱动机芯步进电机

　　LT2221热敏打印机芯的进纸操作由机芯内的步进电机完成。LT2221步进电机的驱动电路原理图，原理图如下图所示。

　　步进电机驱动电路原理图

　　驱动电路由A3967步进电机驱动芯片构成，A3967是一种内嵌逻辑变换的完全步进电机驱动芯片。驱动电路的接口信号说明如下表所示。当电机驱动芯片的STEP端输入信号的上升沿来临时，电机会转动一步。

　　7、字库芯片驱动

　　微型打印机采用字库芯片GT21L24S1W实现对字库数据的提取。GT21L24S1W是一款内含24*24点阵的汉字芯片，支持GB2312国标简体汉字、ASCII字符。排列格式为横置横排。通过字符内码，利用数据手册提供的方法计算出该字符点阵在芯片中的地址，就可从该地址连续读出字符点阵信息。

　　字库芯片GT21L24S1W芯片采用SPI串行总线接口，节省I/O口;时钟频率最大可达30MHz,可实现快速点阵数据读取。

　　软件设计流程

　　在微型串口热敏打印机的控制中，程序按照功能不同，可以划分为以下5个模块：

　　数据接收模块：接收上位机的数据放入缓冲区。

　　数据处理模块：从缓冲区取数据，进行数据处理，若是命令字则转去执行相应的命令程序;若是可打印字符或汉字则从字库读取出其相应的打印点阵数据，放入打印缓冲区。

　　热敏打印头过热保护模块：热敏打印头温度过高时，切断打印头电源，停止打印，保护打印头。

　　检测模块：实时检测滚筒状态以及纸张情况，当滚筒打开或者缺纸时，都要切断电源，停止打印。

　　打印数据模块：完成打印数据加载、锁存，控制打印头加热以及驱动步进电机走纸。

　　方案优势

　　相对于传统的8位、16位单片机实现的微型打印机方案，基于EFM32实现的本方案具有以下优势：

　　超低功耗，在手持产品中优势突出;

　　EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，它具有5种功耗模式，在RTC在运行，LEUART、LCD控制器、DMA可运行的EM2模式下，功耗电流仅为900nA,在关断模式Em4,功耗电流仅20nA.优异的MCU低功耗特性将为延长产品的电池寿命起到极其关键的作用。为了满足低功耗应用场合的需求，EFM32具有完善的低功耗工作机制和极低功耗的外设，通过PRS与DMA的结合，串行口唤醒系统极其方便。

　　EFM32具有低功耗性能优异的外设：片上12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗电流仅需350μA;模拟比较器工作仅需100nA;全功能的LEUART,在9600bps的速率下，功耗电流仅需150nA;AES执行128/256bit AES加/解密仅需54/75个时钟周期，可结合芯片唯一ID对芯片进行软件代码加密功能。

　　高集成度、高性能，极快的打印处理速度;

　　EFM32是Cortex-M3内核，内核的指令效率以及代码密度比传统的8位单片机高，尤其是在算法处理方面具有比较大的优势。EFM32具有更快地处理、响应外设事件的能力，它的UART接口最高速率达8Mbit/s,极强的打印数据传输能力;便捷的位带操作，在打印处理复杂数据操作、打印效果时极其有优势。除此外，EFM32片上集成USB接口、LCD/TFT驱动器、智能卡ISO7816接口、IrDA调制解调模块等资源，丰富的集成外设为不同的系统应用提供多样性的选择，例如EFM32单芯片完成手持POS方案、票务打印机方案等应用。

　　可扩展性良好;

　　EFM32的TG、G、GG系列之间具有良好的兼容性，同系列型号的芯片是pin-pin兼容，保证用户在统一的硬件平台上，可进行不同功能需求的裁剪。Flash资源从最低的4KB~1024KB,RAM资源从2KB~128KB.

　　总结

　　EFM32内核采用运算控制性能突出的Cortex-M3设计，极大地提高了打印机的打印速度和丰富了可实现的打印效果，它的UART最高速率达8Mbit/s,为高速的打印数据传输提供了基础。EFM32具有丰富的外设，为系统扩展功能及降低成本提供了条件。