文章作者：深圳大学信息工程学院 张会生
文章出处：电子技术应用

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

　　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

　　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。

　　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。

　　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

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