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航芯方案分享 | 熱敏打印機(jī)方案
隨著電子信息化、自動(dòng)化程度提高，條碼識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，熱敏打印機(jī)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)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(yùn)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(jī)設(shè)計(jì)方案。
打印原理
熱敏打印機(jī)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(shí)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(huì)加速這種化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，熱敏材料需要經(jīng)過相當(dāng)長，甚至長達(dá)幾年的時(shí)間才能變成深色；而當(dāng)溫度為200℃時(shí)，這種反應(yīng)會(huì)在幾微秒內(nèi)完成。
熱敏打印機(jī)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(gè)小電子加熱器提供的。加熱器排成方點(diǎn)或條的形式由打印機(jī)進(jìn)行邏輯控制，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，就在熱敏紙上產(chǎn)生一個(gè)與加熱元素相應(yīng)的圖形?？刂萍訜嵩氐耐贿壿嬰娐罚瑫r(shí)也控制著進(jìn)紙，因而能在整個(gè)標(biāo)簽或紙張上印出圖形。
圖1. 熱敏打印機(jī)的原理
使用芯片
本文描述的熱敏打印機(jī)方案，是基于上海航芯ACM32F403系列的MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(hào)處理，支持單精度FPU處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)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(gè)12位多通道2M sps高精度ADC、一個(gè)12位2通道的DAC、多達(dá)3路運(yùn)放、2路比較器，集成了1個(gè)高級(jí)定時(shí)器，6個(gè)通用16位定時(shí)器，1個(gè)通用32位定時(shí)器，2個(gè)基本16位定時(shí)器，1個(gè)系統(tǒng)看門狗，1個(gè)獨(dú)立看門狗，一個(gè)低功耗的實(shí)時(shí)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(diǎn)
?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(shí)自動(dòng)進(jìn)入斷電模式，續(xù)航時(shí)間更長
?支持打印高溫、缺紙和低電量報(bào)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(jí)
設(shè)計(jì)方案
圖2. 基于ACM32F403熱敏打印機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(chǔ)到芯片內(nèi)部；
2）將每個(gè)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(jī)運(yùn)行的速度和打印機(jī)頭加熱的時(shí)間，通過GPIO來控制加熱使能和控制步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，ADC來檢測打印機(jī)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(shí)現(xiàn)字庫的下載和更新。因?yàn)槠釹PI 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(shí)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(jì)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(jī)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(jī)芯和步進(jìn)電機(jī)原理圖
數(shù)據(jù)打印流程：
1）打印機(jī)開機(jī)流程；
2）將打印數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸?shù)酱蛴C(jī)緩存；
3）判斷是否是第一行，如果是打開電機(jī)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(jī)關(guān)機(jī)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(jī)開機(jī)流程：
1）將打印機(jī)DST（選通脈沖）信號(hào)設(shè)為低電平；
2）將打印機(jī)LATCH（數(shù)據(jù)鎖存）信號(hào)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(jī)關(guān)機(jī)流程：
1）停止加熱Timer；
2）關(guān)閉熱敏頭加熱電源；
3）將打印機(jī)DST（選通脈沖）信號(hào)設(shè)為低電平；
4）將打印機(jī)LATCH（數(shù)據(jù)鎖存）信號(hào)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(jī)時(shí)，首先可以按下SW1復(fù)位MCU，再不行可以按住正常開/關(guān)機(jī)鍵，再插入U(xiǎn)SB線使MCU復(fù)位；
3）開機(jī)：系統(tǒng)未通電時(shí)，按住開/關(guān)機(jī)鍵，此時(shí)MCU上電，MCU開始從eFlash啟動(dòng)，初始化成功后將POWER_ON/OFF信號(hào)置高，雙色燈中的綠燈點(diǎn)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(cuò)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(diǎn)亮(Err1_常亮、Err2_1s閃、Err3_快閃)；
4）關(guān)機(jī)：系統(tǒng)通電時(shí)，按住開/關(guān)機(jī)鍵，Power_Check引腳會(huì)檢測到一個(gè)下降沿，并且接著會(huì)有持續(xù)的低電平，松開按鍵后，再將電源控制信號(hào)拉低；
5）正常關(guān)機(jī)的順序是：先滅燈，然后斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和外設(shè)電源，再斷MCU電源；
6）PB1為開/關(guān)機(jī)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(jī)；
7）沒有打印任務(wù)時(shí)，需要關(guān)閉電機(jī)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(shí)進(jìn)入待機(jī)前，MCU關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源/外設(shè)電源后，進(jìn)入待機(jī)。
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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