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航芯方案分享 | 熱敏打印機方案
隨著電子信息化,、自動化程度提高，條碼識別技術(shù)的發(fā)展,，熱敏打印機的應(yīng)用范圍也在不斷擴大,，已從傳統(tǒng)的辦公和家庭傳真文檔，快速向商業(yè)零售,、工業(yè)制造業(yè),、交通運輸業(yè)、物流,、金融,、彩票、醫(yī)療,、教育等新興專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展,。
本文將為大家介紹基于上海航芯ACM32F403的熱敏打印機設(shè)計方案。
打印原理
熱敏打印機的原理是,，在介質(zhì)基底上(通常是紙)覆上一層熱敏材料,，將熱敏材料加熱一段時間后變成深色(一般是黑色，也有藍(lán)色),。這種化學(xué)反應(yīng)是在一定的溫度下進(jìn)行的,。高溫會加速這種化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)溫度低于60℃時,，熱敏材料需要經(jīng)過相當(dāng)長,，甚至長達(dá)幾年的時間才能變成深色；而當(dāng)溫度為200℃時,，這種反應(yīng)會在幾微秒內(nèi)完成,。
熱敏打印機有選擇地在熱敏紙的確定位置上加熱，由此就產(chǎn)生了相應(yīng)的圖形。加熱是由與熱敏材料相接觸的打印頭上的一個小電子加熱器提供的,。加熱器排成方點或條的形式由打印機進(jìn)行邏輯控制,，當(dāng)被驅(qū)動時，就在熱敏紙上產(chǎn)生一個與加熱元素相應(yīng)的圖形,?？刂萍訜嵩氐耐贿壿嬰娐罚瑫r也控制著進(jìn)紙,，因而能在整個標(biāo)簽或紙張上印出圖形,。
圖1. 熱敏打印機的原理
使用芯片
本文描述的熱敏打印機方案，是基于上海航芯ACM32F403系列的MCU進(jìn)行設(shè)計,。
ACM32F403芯片采用高性能內(nèi)核,，支持Cortex-M33和Cortex-M4F指令集。芯片內(nèi)核支持一整套DSP指令用于數(shù)字信號處理,，支持單精度FPU處理浮點數(shù)據(jù),，同時還支持Memory Protection Unit（MPU）用于提升應(yīng)用的安全性。
ACM32F403系列芯片最高工作頻率可達(dá)180MHz,，內(nèi)嵌數(shù)學(xué)硬件加速,，內(nèi)置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。芯片集成了一個12位多通道2M sps高精度ADC,、一個12位2通道的DAC,、多達(dá)3路運放、2路比較器,，集成了1個高級定時器,，6個通用16位定時器，1個通用32位定時器,，2個基本16位定時器,，1個系統(tǒng)看門狗，1個獨立看門狗,，一個低功耗的實時鐘（RTC）,，內(nèi)置多路UART、LPUART,、SPI,、I2C、I2S,、CAN,、全速USB等豐富的通訊外設(shè)，內(nèi)建AES,、CRC,、TRNG等算法模塊,。
方案特點
?支持藍(lán)牙、USB,、UART等多種通訊接口的打印方式
?支持無任務(wù)時自動進(jìn)入斷電模式,，續(xù)航時間更長
?支持打印高溫、缺紙和低電量報警
?SPI FLASH存放字庫,，支持在線更新字庫,，可調(diào)整字體、大小,、粗細(xì)等
?支持MCU和BLE芯片固件在線升級
設(shè)計方案
圖2. 基于ACM32F403熱敏打印機設(shè)計方案框圖
功能介紹
1.1多接口打印流程
本方案可以通過UART、USB和藍(lán)牙接口接收數(shù)據(jù),，并通過ACM32F403芯片的Timer,，GPIO，ADC,、SPI等模塊進(jìn)行熱敏打印機頭的打印工作,。
具體流程如下：
1）通過UART、USB和藍(lán)牙接口接收數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)需要通過GBK碼的方式發(fā)送,，并存儲到芯片內(nèi)部；
2）將每個字的GBK碼,，通過SPI接口查詢到SPI FLASH上字庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù),，并傳輸?shù)酱蛴uffer中；
3）芯片通過Timer來控制步進(jìn)電機運行的速度和打印機頭加熱的時間,，通過GPIO來控制加熱使能和控制步進(jìn)電機的前進(jìn)和后退,，ADC來檢測打印機溫度，最終完成打印工作,。
圖3. 多接口打印流程
1.2 字庫更新流程
本方案內(nèi)部firmware實現(xiàn)了一個UART接收數(shù)據(jù),，SPI下載數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，采用類似7816 T=1的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸,，將字庫的BIN文件下載到SPI FLASH中,，以實現(xiàn)字庫的下載和更新。因為片外SPI FLASH大小的原因,，默認(rèn)只支持24*24大小的字體打印,，如果更換字體，需要重新下載字庫文件,。
圖4. 字庫下載流程
本方案支持字庫的更新,，可以調(diào)節(jié)打印字體的字體、大小,，粗細(xì)等參數(shù),。字庫更新后需要修改firmware代碼，以實現(xiàn)不同字體的打印。
圖5. 字體設(shè)置參數(shù)
1.3 字庫調(diào)用流程
本方案中的SPI FLASH中能存放字體大小為16*16或24*24的字庫,，并且有完整的配套firmware代碼,。
具體字庫調(diào)用流程如下：
1）從UART、USB或BLE接口接收需要打印文字的GBK碼,；
2）根據(jù)GBK碼計算出該文字在字庫中的內(nèi)碼,；
3）通過SPI接口讀取字庫中內(nèi)碼的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度根據(jù)字體大小來定,；
4）將讀出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C頭,，完成打印。
圖6. 字庫調(diào)用流程
1.4 數(shù)據(jù)打印流程
圖7. 數(shù)據(jù)打印軟件流程
圖8. 打印機芯和步進(jìn)電機原理圖
數(shù)據(jù)打印流程：
1）打印機開機流程,；
2）將打印數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸?shù)酱蛴C緩存,；
3）判斷是否是第一行，如果是打開電機Timer,，并前進(jìn)一步,；
4）判斷是否是最后一行或者是否缺紙，如果是進(jìn)入打印機關(guān)機流程,；
5）開始加熱,，打開加熱Timer，并等待加熱完成,；
6）循環(huán)2）~5）,，直到打印完畢。
打印機開機流程：
1）將打印機DST（選通脈沖）信號設(shè)為低電平,；
2）將打印機LATCH（數(shù)據(jù)鎖存）信號設(shè)為高電平,；
3）打開熱敏頭邏輯電源；
4）打開熱敏頭加熱電源,；
打印機關(guān)機流程：
1）停止加熱Timer,；
2）關(guān)閉熱敏頭加熱電源；
3）將打印機DST（選通脈沖）信號設(shè)為低電平,；
4）將打印機LATCH（數(shù)據(jù)鎖存）信號設(shè)為高電平,；
5）關(guān)閉熱敏頭邏輯電源。
1.5 電源控制系統(tǒng)介紹
圖9. 電源控制系統(tǒng)介紹
1）供電：系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池4.2V或者USB 5V供電,；
2）異常：當(dāng)MCU內(nèi)部程序跑飛/死機時,，首先可以按下SW1復(fù)位MCU，再不行可以按住正常開/關(guān)機鍵,，再插入USB線使MCU復(fù)位,；
3）開機：系統(tǒng)未通電時，按住開/關(guān)機鍵,，此時MCU上電,，MCU開始從eFlash啟動,，初始化成功后將POWER_ON/OFF信號置高，雙色燈中的綠燈點亮(InitPass_常亮,、內(nèi)部鋰電池充電滿_常亮),，若初始化失敗或檢測到異常/錯誤(比如電池電量低，外設(shè)初始化失敗,、通信不正常等),，將雙色燈中的紅燈點亮(Err1_常亮、Err2_1s閃,、Err3_快閃),；
4）關(guān)機：系統(tǒng)通電時，按住開/關(guān)機鍵,，Power_Check引腳會檢測到一個下降沿,，并且接著會有持續(xù)的低電平，松開按鍵后,，再將電源控制信號拉低；
5）正常關(guān)機的順序是：先滅燈,，然后斷電機驅(qū)動電源和外設(shè)電源,，再斷MCU電源；
6）PB1為開/關(guān)機按鍵與系統(tǒng)喚醒鍵,，SW1為系統(tǒng)喚醒按鍵與復(fù)位鍵,，通常情況，用戶按一下是要喚醒系統(tǒng),，長按是正常開關(guān)機,；
7）沒有打印任務(wù)時，需要關(guān)閉電機電源和外設(shè)電源,，來節(jié)省鋰電池電量,；所以系統(tǒng)經(jīng)過定時進(jìn)入待機前，MCU關(guān)閉電機驅(qū)動電源/外設(shè)電源后,，進(jìn)入待機,。
資源分享
Gitee資源：
https://gitee.com/acm32-mcu/thermal_printer
ACM32F303對比STM32F103差異說明：
https://aijishu.com/a/1060000000295866
STM32F103標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫SPL移植說明(ACM32F403)：
https://aijishu.com/a/1060000000306636
航芯MCU軟件HAL庫使用說明及STM32 API差異說明：
https://aijishu.com/a/1060000000296281
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