航芯方案分享 | 熱敏打印機方案

隨著(zhù)電子信息化、自動(dòng)化程度提高，條碼識別技術(shù)的發(fā)展，熱敏打印機的應用范圍也在不斷擴大，已從傳統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、醫療、教育等新興專(zhuān)業(yè)應用領(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(shí)間后變成深色(一般是黑色，也有藍色)。這種化學(xué)反應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。當溫度低于60℃時(shí)，熱敏材料需要經(jīng)過(guò)相當長(cháng)，甚至長(cháng)達幾年的時(shí)間才能變成深色；而當溫度為200℃時(shí)，這種反應會(huì )在幾微秒內完成。

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進(jìn)行邏輯控制，當被驅動(dòng)時(shí)，就在熱敏紙上產(chǎn)生一個(gè)與加熱元素相應的圖形?？刂萍訜嵩氐耐贿壿嬰娐?，同時(shí)也控制著(zhù)進(jìn)紙，因而能在整個(gè)標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)行設計。

ACM32F403芯片采用高性能內核，支持Cortex-M33和Cortex-M4F指令集。芯片內核支持一整套DSP指令用于數字信號處理，支持單精度FPU處理浮點(diǎn)數據，同時(shí)還支持Memory Protection Unit（MPU）用于提升應用的安全性。

ACM32F403系列芯片最高工作頻率可達180MHz，內嵌數學(xué)硬件加速，內置最大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3路運放、2路比較器，集成了1個(gè)高級定時(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)系統看門(mén)狗，1個(gè)獨立看門(mén)狗，一個(gè)低功耗的實(shí)時(shí)鐘（RTC），內置多路UART、LPUART、SPI、I2C、I2S、CAN、全速USB等豐富的通訊外設，內建AES、CRC、TRNG等算法模塊。

方案特點(diǎn)

?支持藍牙、USB、UART等多種通訊接口的打印方式

?支持無(wú)任務(wù)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入斷電模式，續航時(shí)間更長(cháng)

?支持打印高溫、缺紙和低電量報警

?SPI FLASH存放字庫，支持在線(xiàn)更新字庫，可調整字體、大小、粗細等

?支持MCU和BLE芯片固件在線(xiàn)升級

設計方案

圖2. 基于A(yíng)CM32F403熱敏打印機設計方案框圖

功能介紹

1.1多接口打印流程

本方案可以通過(guò)UART、USB和藍牙接口接收數據，并通過(guò)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(guò)UART、USB和藍牙接口接收數據，數據需要通過(guò)GBK碼的方式發(fā)送，并存儲到芯片內部；

2）將每個(gè)字的GBK碼，通過(guò)SPI接口查詢(xún)到SPI FLASH上字庫中對應的數據，并傳輸到打印buffer中；

3）芯片通過(guò)Timer來(lái)控制步進(jìn)電機運行的速度和打印機頭加熱的時(shí)間，通過(guò)GPIO來(lái)控制加熱使能和控制步進(jìn)電機的前進(jìn)和后退，ADC來(lái)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

本方案內部firmware實(shí)現了一個(gè)UART接收數據，SPI下載數據的系統，采用類(lèi)似7816 T=1的數據格式進(jìn)行傳輸，將字庫的BIN文件下載到SPI FLASH中，以實(shí)現字庫的下載和更新。因為片外SPI FLASH大小的原因，默認只支持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，可以調節打印字體的字體、大小，粗細等參數。字庫更新后需要修改firmware代碼，以實(shí)現不同字體的打印。

圖5. 字體設置參數

1.3 字庫調用流程

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GBK碼計算出該文字在字庫中的內碼；

3）通過(guò)SPI接口讀取字庫中內碼的數據，數據長(cháng)度根據字體大小來(lái)定；

4）將讀出的數據傳輸到打印機頭，完成打印。

圖6. 字庫調用流程

1.4 數據打印流程

圖7. 數據打印軟件流程

圖8. 打印機芯和步進(jìn)電機原理圖

數據打印流程：

1）打印機開(kāi)機流程；

2）將打印數據通過(guò)SPI接口傳輸到打印機緩存；

3）判斷是否是第一行，如果是打開(kāi)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(kāi)始加熱，打開(kāi)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(kāi)機流程：

1）將打印機DST（選通脈沖）信號設為低電平；

2）將打印機LATCH（數據鎖存）信號設為高電平；

3）打開(kāi)熱敏頭邏輯電源；

4）打開(kāi)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）信號設為低電平；

4）將打印機LATCH（數據鎖存）信號設為高電平；

5）關(guān)閉熱敏頭邏輯電源。

1.5 電源控制系統介紹

圖9. 電源控制系統介紹

1）供電：系統采用單節鋰電池4.2V或者USB 5V供電；

2）異常：當MCU內部程序跑飛/死機時(shí)，首先可以按下SW1復位MCU，再不行可以按住正常開(kāi)/關(guān)機鍵，再插入USB線(xiàn)使MCU復位；

3）開(kāi)機：系統未通電時(shí)，按住開(kāi)/關(guān)機鍵，此時(shí)MCU上電，MCU開(kāi)始從eFlash啟動(dòng)，初始化成功后將POWER_ON/OFF信號置高，雙色燈中的綠燈點(diǎn)亮(InitPass_常亮、內部鋰電池充電滿(mǎn)_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：系統通電時(shí)，按住開(kāi)/關(guān)機鍵，Power_Check引腳會(huì )檢測到一個(gè)下降沿，并且接著(zhù)會(huì )有持續的低電平，松開(kāi)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，然后斷電機驅動(dòng)電源和外設電源，再斷MCU電源；

6）PB1為開(kāi)/關(guān)機按鍵與系統喚醒鍵，SW1為系統喚醒按鍵與復位鍵，通常情況，用戶(hù)按一下是要喚醒系統，長(cháng)按是正常開(kāi)關(guān)機；

7）沒(méi)有打印任務(wù)時(shí)，需要關(guān)閉電機電源和外設電源，來(lái)節省鋰電池電量；所以系統經(jīng)過(guò)定時(shí)進(jìn)入待機前，MCU關(guān)閉電機驅動(dòng)電源/外設電源后，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(shuō)明：

https://aijishu.com/a/1060000000295866

STM32F103標準外設庫SPL移植說(shuō)明(ACM32F403)：

https://aijishu.com/a/1060000000306636

航芯MCU軟件HAL庫使用說(shuō)明及STM32 API差異說(shuō)明：

https://aijishu.com/a/1060000000296281

如需銷(xiāo)售咨詢(xún)，請郵件至：sales@aisinochip.com