上海航芯 | 热敏打印机方案分享

随着电子信息化、自动化程度提高，条码识别技术的发展，热敏打印机的应用范围也在不断扩大，已从传统的办公和家庭传真文档，快速向商业零售、工业制造业、交通运输业、物流、金融、彩票、医疗、教育等新兴专业应用领域拓展。

本文将为大家介绍基于上海航芯ACM32F403的热敏打印机设计方案。

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打印原理

热敏打印机的原理是，在介质基底上(通常是纸)覆上一层热敏材料，将热敏材料加热一段时间后变成深色(一般是黑色，也有蓝色)。这种化学反应是在一定的温度下进行的。高温会加速这种化学反应。当温度低于60℃时，热敏材料需要经过相当长，甚至长达几年的时间才能变成深色；而当温度为200℃时，这种反应会在几微秒内完成。

热敏打印机有选择地在热敏纸的确定位置上加热，由此就产生了相应的图形。加热是由与热敏材料相接触的打印头上的一个小电子加热器提供的。加热器排成方点或条的形式由打印机进行逻辑控制，当被驱动时，就在热敏纸上产生一个与加热元素相应的图形。控制加热元素的同一逻辑电路，同时也控制着进纸，因而能在整个标签或纸张上印出图形。


图1. 热敏打印机的原理

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使用芯片

本文描述的热敏打印机方案，是基于上海航芯ACM32F403系列的MCU进行设计。

ACM32F403芯片采用高性能内核，支持Cortex-M33和Cortex-M4F指令集。芯片内核支持一整套DSP指令用于数字信号处理，支持单精度FPU处理浮点数据，同时还支持Memory Protection Unit（MPU）用于提升应用的安全性。

ACM32F403系列芯片最高工作频率可达180MHz，内嵌数学硬件加速，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。芯片集成了一个12位多通道2M sps高精度ADC、一个12位2通道的DAC、多达3路运放、2路比较器，集成了1个高级定时器，6个通用16位定时器，1个通用32位定时器，2个基本16位定时器，1个系统看门狗，1个独立看门狗，一个低功耗的实时钟（RTC），内置多路UART、LPUART、SPI、I2C、I2S、CAN、全速USB等丰富的通讯外设，内建AES、CRC、TRNG等算法模块。

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方案特点

ㆍ支持蓝牙、USB、UART等多种通讯接口的打印方式

ㆍ支持无任务时自动进入断电模式，续航时间更长

ㆍ支持打印高温、缺纸和低电量报警

ㆍSPI FLASH存放字库，支持在线更新字库，可调整字体、大小、粗细等

ㆍ支持MCU和BLE芯片固件在线升级

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设计方案


图2. 基于ACM32F403热敏打印机设计方案框图

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功能介绍

1.1多接口打印流程

本方案可以通过UART、USB和蓝牙接口接收数据，并通过ACM32F403芯片的Timer，GPIO，ADC、SPI等模块进行热敏打印机头的打印工作。

具体流程如下：

1）通过UART、USB和蓝牙接口接收数据，数据需要通过GBK码的方式发送，并存储到芯片内部；

2）将每个字的GBK码，通过SPI接口查询到SPI FLASH上字库中对应的数据，并传输到打印buffer中；

3）芯片通过Timer来控制步进电机运行的速度和打印机头加热的时间，通过GPIO来控制加热使能和控制步进电机的前进和后退，ADC来检测打印机温度，最终完成打印工作。


图3. 多接口打印流程

1.2 字库更新流程

本方案内部firmware实现了一个UART接收数据，SPI下载数据的系统，采用类似7816 T=1的数据格式进行传输，将字库的BIN文件下载到SPI FLASH中，以实现字库的下载和更新。因为片外SPI FLASH大小的原因，默认只支持24*24大小的字体打印，如果更换字体，需要重新下载字库文件。


图4. 字库下载流程

本方案支持字库的更新，可以调节打印字体的字体、大小，粗细等参数。字库更新后需要修改firmware代码，以实现不同字体的打印。


图5. 字体设置参数

1.3 字库调用流程

本方案中的SPI FLASH中能存放字体大小为16*16或24*24的字库，并且有完整的配套firmware代码。

具体字库调用流程如下：

1）从UART、USB或BLE接口接收需要打印文字的GBK码；

2）根据GBK码计算出该文字在字库中的内码；

3）通过SPI接口读取字库中内码的数据，数据长度根据字体大小来定；

4）将读出的数据传输到打印机头，完成打印。


图6. 字库调用流程

1.4 数据打印流程


图7. 数据打印软件流程


图8. 打印机芯和步进电机原理图

数据打印流程：

1）打印机开机流程；

2）将打印数据通过SPI接口传输到打印机缓存；

3）判断是否是第一行，如果是打开电机Timer，并前进一步；

4）判断是否是最后一行或者是否缺纸，如果是进入打印机关机流程；

5）开始加热，打开加热Timer，并等待加热完成；

6）循环2）~5），直到打印完毕。

打印机开机流程：

1）将打印机DST（选通脉冲）信号设为低电平；

2）将打印机LATCH（数据锁存）信号设为高电平；

3）打开热敏头逻辑电源；

4）打开热敏头加热电源；

打印机关机流程：

1）停止加热Timer；

2）关闭热敏头加热电源；

3）将打印机DST（选通脉冲）信号设为低电平；

4）将打印机LATCH（数据锁存）信号设为高电平；

5）关闭热敏头逻辑电源。

1.5 电源控制系统介绍


图9. 电源控制系统介绍

1）供电：系统采用单节锂电池4.2V或者USB 5V供电；

2）异常：当MCU内部程序跑飞/死机时，首先可以按下SW1复位MCU，再不行可以按住正常开/关机键，再插入USB线使MCU复位；

3）开机：系统未通电时，按住开/关机键，此时MCU上电，MCU开始从eFlash启动，初始化成功后将POWER_ON/OFF信号置高，双色灯中的绿灯点亮(InitPass_常亮、内部锂电池充电满_常亮)，若初始化失败或检测到异常/错误(比如电池电量低，外设初始化失败、通信不正常等)，将双色灯中的红灯点亮(Err1_常亮、Err2_1s闪、Err3_快闪)；

4）关机：系统通电时，按住开/关机键，Power_Check引脚会检测到一个下降沿，并且接着会有持续的低电平，松开按键后，再将电源控制信号拉低；

5）正常关机的顺序是：先灭灯，然后断电机驱动电源和外设电源，再断MCU电源；

6）PB1为开/关机按键与系统唤醒键，SW1为系统唤醒按键与复位键，通常情况，用户按一下是要唤醒系统，长按是正常开关机；

7）没有打印任务时，需要关闭电机电源和外设电源，来节省锂电池电量；所以系统经过定时进入待机前，MCU关闭电机驱动电源/外设电源后，进入待机。