基于77E58的高速行式热敏打印机控制板的研制
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%26;#215;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%26;#215;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%26;#215;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%26;#215;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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