LTPA245热敏打印机驱动设计

150LTPA245热敏打印机驱动设计热敏打印机是利用发热元件产生热量，使紧贴在其表面的热敏纸迅速变色，从而在纸上形成相应点阵字符或图形的一种打印机。相对于针式、笔式打印机，热敏打印机具有结构简单、体积小、重量轻、噪声小、功耗低、印字质量高、价格便宜、运行成本较低及使用可靠等一系列优点。已越来越广泛地应用于医疗仪器、银行柜员机及POS终端等各种便携式计算机系统和智能化设备中，被认为是最合适的便携式硬拷贝输出设备。本章以精工（SEIKO）SII生产的一款高速热敏打印机LTPA245为例，介绍一种通用热敏打印机的驱动设计。1.1热敏打印机的工作原理1.1.1热敏打印机结构原理热敏式打印机的关键部件是打印头。它包含很多微型发热元件，这些发热元件一般采用集成电路工艺和光刻技术，通过物理化学方法在陶瓷基片上加工制成。为防止发热元件与热敏纸接触时产生的磨损，表面涂了一层类似玻璃的保护膜。目前的工艺水平已将发热元件的密度做到8点/mm(分辨率达200dpi)、16点/mm，甚至更高。在印字速度低于100cps时，热敏头寿命可达1亿字符，或记录纸滑行30km的可靠性。热敏打印机所用的打印纸不是普通纸，而是经特殊处理过的感热记录纸。这种记录纸是将两种混合成份材料涂复在纸上而成，基层纸上涂有一层几微米厚的白色感热生色层。在这个感热生色层上涂有无色染料和特殊生色剂。为使他们能有效地附在纸上，在它们周围的空隙里还填充有粘合剂。感热生色层一经加热，生色剂立即熔化，并熔进无色染料中，引起化学反应显出颜色，这一过程仅需几个毫秒即可完成。由于感热记录纸是受热后材料熔融引起化学反应而呈现颜色，如温度过高，新的合成物质被分解，颜色又会消失。另外，这种物质在光的长时间作用下也会自动分解，所以感热记录纸不能长期保存。虽然热敏打印机对打印纸有特殊要求，但是这种记录纸价格并不贵，无需像针打那样经常要更换色带。因此，越来越多的智能化仪器仪表采用热敏打印机作为输出设备。1.1.2热敏打印机设计中需要注意的问题为实现高品质的打印，在设计热敏打印机电路和控制时序时必须注意三个问题：1.常能量控制常能量控制指的是打印头上每一个发热元件发出的热量要相同，且保持一个常量，否则打印出的字符颜色有深有浅，影响打印效果。发热元件每次发出的热量，除了与发热元件流过的电流的大小和持续时间有关外，还与其本身的余热（如果前次已经通电发热）有关。它的余热直接影响下一次发热元件传给打印纸的热量，从而影响打印效果。因此，热敏打印机电路除了要检测环境温度外，还要记录每一个发热元件前一次状态，甚至前几次的通电发热的状态，以决定本次究竟要给出多大热量（可以通过控制通电时间来确定）。打印速度越快，这个问题就越重要。2.大电流脉冲控制由于打印时要同时激励的发热元件可能会很多，如一个分辨率为8点/mm，打印宽度为72mm的打印头，一点行上要排列8×72=576个发热元件。尽管每个发热元件只要几十毫安的电流，但若同时激励这些发热元件，总电流就很可观了，而且这种脉冲式的电流谐波分量极其丰富，会给其它电路带来很大的干扰，甚至使打印电路失控，烧毁打印头发热元件。151因此，发热元件通电驱动程序要仔细考虑，一般可将每点行分成几段，以几段为一组同时传送，使电流变化比较平稳。3.处理时间与CPU速度协调由于打印速度较快，尽管每点行只需要几十个字节的数据，但必须在数毫秒内完成这些数据的接收、处理、输出到打印头、常能量控制等一系列要求，故对CPU的速度就有较高的要求。1.2LTPA245热敏打印机LTPA245是精工公司生产的一款高速热敏打印机，采用全新的结构及打印技术，小巧轻便。分离式的压纸轴设计更便于上纸，加上低电压驱动，可实现两节锂电池供电。广泛应用于测量分析仪、POS机、通讯设备或数据终端及各种便携式设备上，已成为目前热敏打印机业界的最畅销机型，其外形结构如图8-1所示。其性能特点为：◆分离式压纸轴设计便于上纸◆小巧轻便可应用于手持设备◆优质耐用（打印头可连续打印超过50km）◆准确快速（90mm/秒）◆配有纸源感应器，自动检测上纸情况◆结构合理，便于维护保养LTPA245的技术参数如表8-1所示。图8-1LTPA245的外形表8-1LTPA245的技术参数型号LTPA245打印头类型打印热敏行式分辨率(dots/line)384点密度(dots/mm)（WxH）8×16打印速度（mm/s）53.4（驱动电压5V）77（驱动电压7.2V）90（驱动电压8.5V）送纸间距0.0625mm打印宽度/纸宽（mm）48/58打印头寿命脉冲个数（pulses）108打印纸长（Km）50操作电压（V）逻辑电路2.7～5.25打印头4.5～8.5尺寸（mm）（W×D×H）69.2×28.3×31.7重量（g）约41LTPA245通过一个1mm间距的27针FPC连接器（见图8-1）与驱动器进行连接，连接器各引脚的定义和功能如表8-2所示。LTPA245采用同步串行通信接口，数据以串行移位的方式从驱动器移入打印机内部的数据锁存器，其工作时序如图8-2所示。其中，DAT为串行移位数据，CLK为移位时钟，/LATCH为数据锁存信号，DST为分段加热控制信号。打印数据以384bit（12words）为一行，在CLK作用下，数据从DAT端逐一移入打印机内数据寄存器中。每一个数据位对应1个加热元152表8-2FPC连接器各针脚定义引脚序号引脚名称信号方向功能描述1PS输出纸检测器输出，高电平表示缺纸2VPS输入纸检测器发光器信号输入3GND—纸检测器的地4Vp—热敏打印头驱动电压5Vp—热敏打印头驱动电压6DAT输入同步串行输入7DST6输入发热元件激活信号8DST5输入发热元件激活信号9DST4输入发热元件激活信号10GND—电源地11GND—电源地12GND—电源地13GND—电源地14TH输出热敏电阻15DST3输入发热元件激活信号16DST2输入发热元件激活信号17DST1输入发热元件激活信号18Vdd—逻辑电源19CLK输入打印数据传输的同步时钟20/LATCH输入打印数据锁存。低电平时数据从输入寄存器送打印锁存器，上升沿锁存21DATO输出打印数据输出（串行输出）22Vp—热敏打印头驱动电压23Vp—热敏打印头驱动电压24/A输入步进电机控制信号25/B输入步进电机控制信号26A输入步进电机控制信号27B输入步进电机控制信号图8-2LTPA245的打印时序153件，当该位数据为0时，表示不加热，为1时表示加热。热敏纸被加热的位置变黑，不加热的位置不变色（白）。当384个bit全部移入打印机后，驱动器应输出1个/LATCH锁存信号（负脉冲），将数据送到打印寄存器。实际打印时，为防止电流过大，打印头温度过高，驱动器应控制DST0～DST5的输出信号，将一行数据分段（本系统分3段）打印。一行打印结束后，驱动器从A、/A、B、/B端送出脉冲，控制步进电机带动热敏纸前移一段距离，继续打印下一行。LTPA245内部带有一个微型、大力矩的精密2相4线步进电机。电机有A、B两组线圈、4个控制端，分别定义为A、/A、B、/B。当驱动器按表8-3所示的脉冲序列从控制端给步进电机输入脉冲时，可控制电机匀速转动。表8-3步进电机驱动时序控制端停止Step1Step2Step3Step4A00011B00110/A01100/B010011.3步进电机的驱动LTPA245内部不带步进电机驱动芯片，需外接驱动电路。本章设计的驱动系统选用FAN8200D驱动热敏打印机内部的步进电机。FAN8200/FAN8200D是美国快捷半导体公司设计生产的低工作电压、低饱和压降单片式步进电机驱动器集成电路，可用于两相步进电机的驱动。它带有双路H桥，可分别驱动两个独立的PNP功率管。每一个桥都有各自独立的使能引脚，非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。FAN8200/FAN8200D的主要特点有：◆具有3.3V和5V微处理器(MPU)接口；◆内含可驱动双极步进电机的双向H桥路；◆内含垂直PNP功率晶体管；◆可适应宽达2.5V～7.0V的电源电压范围；◆具有很低的饱和压降（可低达0.4V/0.4A）；◆每一路H桥均具有独立的使能引脚，并可单独进行使能控制；◆具有过流保护功能；图8-3FAN8200D的引脚◆具有过热关断（TSD）功能。FAN8200/FAN8200D的上述特性使其可广泛应用于通用低压步进电机驱动系统、磁盘驱动器、PC照相机和数码相机的步进电机驱动、安全移动控制器、热敏式打印机、运动控制器以及需要两通道直流电机驱动的控制系统，同时还可用于微处理器接口的通用功率驱动器的电机驱动系统。1.FAN8200/FAN8200D的引脚功能FAN8200采用14脚DIP-300封装，而FAN8200D则采用14脚SOP-225封装。他们的工作温度都是-20～+70℃，其引脚排列如图8-3所示，各引脚的功能见表8-4。2.FAN8200/FAN8200D的工作原理FAN8200/FAN8200D的内部由两路完全相同的控制电路组成。外部脉冲信号从IN1（或IN2）输入，经片内前级缓冲放大后送入片内控制器，此信号在CE1（或CE2）使能的情况下，154表8-4FAN8200的引脚功能引脚序号引脚名称信号方向功能描述1VCC—逻辑电源电压输入2CE1输入通道1器件触发使能，高电平有效3OUT1输出通道1步进脉冲输出4VS1输入通道1电源输入5OUT2输出通道1步进脉冲输出6IN1输入通道1步进脉冲输入7SGND—信号地8PGND—功率地9IN2输入通道2步进脉冲输入10OUT4输出通道2步进脉冲输出11VS2输入通道2电源输入12OUT3输出通道2步进脉冲输出13CE2输入通道2器件触发使能，高电平有效14PGND—功率地由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后从OUT1（或OUT3）脚输出反相的脉冲信号，从OUT2（或OUT4）脚输出同相的脉冲信号，与步进电机的线圈形成回路后控制电机的运行。器件触发使能端口(CE)的作用是分别对两个通道的输出进行控制，当CE端的输入控制信号为低电平时，无论有无输入控制信号，输出端OUT始终呈现高阻抗状态。因此，要使FAN8200/FAN8200D控制器的输出端在输入信号的控制下正常工作，器件的触发使能端必须为高电平。FAN8200/FAN8200D中CE、IN和输出端OUT之间的逻辑控制关系如表8-5所示，表中的L表示低电平，H表示高电平，×表示无关，Z表示处于高阻态。表8-5FAN8200/FAN8200D的逻辑控制关系CE1（或CE2）IN1（或IN2）OUT1（或OUT3）OUT2（或OUT4）L×ZZHLHLHHLHFAN8200/FAN8200D内部的热关断和偏置电路可用来对整个电路提供过热和过流保护，当负载过大或其它故障导致电路电流增大，从而使器件温度升高到片内温度传感器的设定门限以上时，FAN8200/FAN8200D中的热关断和偏置电路将向片内控制器发出关断控制信号以关断整个电路。1.4单片机资源分配本章设计的热敏打印机驱动系统选用STC89C58(PLCC封装)作为控制中心，负责接收上位机通过标准并行通信口传送过来的点阵或字符数据（对程序稍作改动也可接收串口数据），经单片机处理后，控制打印机加热板的加热及步进电机的走纸，从而在热敏纸上打印出上位机需要输出的字符或图形。单片机I/O口资源的分配如表8-6所示。155表8-6单片机I/O口的资源分配（PLCC封闭）引脚序号引脚名称信号方向功能描述2P1.0输出步进电机A相驱动脉冲输出（FAN8200的IN1）3P1.1输出步进电机B相驱动脉冲输出（FAN8200的IN2）4P1.2输出FAN8200D触发使能（CE1、CE2）,高电平使能5P1.3输出74HC32或门1开启控制。当P1.3=0（反相后为1）时，关闭或门，锁存器74HC374输出为高阻态，禁止读并口数据；当P1.3=1时，开启或门，系统在P3.7(/RD)和并口/STB的控制下，读标准并口数据6P1.4输出热敏打