基于LPC1766的以太網(wǎng)熱敏打印機

劉佐濂，何清平

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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基于LPC1766的以太網(wǎng)熱敏打印機

劉佐濂，何清平

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要：采用NXP公司的LPC1766作為控制核心，結(jié)合以太網(wǎng)接口電路、打印機控制電路、PC軟件等構(gòu)成一個熱敏網(wǎng)絡(luò)打印裝置。該裝置嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議、μC/GUI圖形界面，并利用μC/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)了多任務(wù)操作。對裝置的硬件電路進行了詳細的論述，對軟件架構(gòu)進行了說明，裝置采用100 M的以太網(wǎng)作通信，實現(xiàn)了打印機在局域網(wǎng)內(nèi)共享。

關(guān)鍵詞：LPC1766微控制器；以太網(wǎng)；熱敏打印機

熱敏微型打印機具有噪聲低、速度快、可靠性高、打印漢字清晰等優(yōu)點。目前已經(jīng)在POS終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種新興的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)的管理層和控制層得到廣泛應(yīng)用，并有向下延伸到現(xiàn)場設(shè)備層的趨勢。目前網(wǎng)絡(luò)打印主要用于辦公領(lǐng)域，在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛的熱敏微型打印機幾乎看不到網(wǎng)絡(luò)打印接口，因此研究設(shè)計具有網(wǎng)絡(luò)功能的熱敏微型打印機具有重要的意義。

1熱敏微型打印機總體硬件結(jié)構(gòu)

熱敏打印機的主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)傳輸和實時打印控制。在數(shù)據(jù)傳輸方面，熱敏打印機通過以太網(wǎng)接口從計算機獲取打印信息和返回自身的狀態(tài)信息。在打印控制方面，熱敏打印機根據(jù)打印信息執(zhí)行命令或控制打印頭進行打印，同時還要控制加熱時間和打印紙的精確定位，實時性要求非常高。本系統(tǒng)要設(shè)計的熱敏打印機要求能夠接收以太網(wǎng)傳輸進來的打印信息，并進行熱敏打印。系統(tǒng)既有實時的通訊任務(wù)，又有實時的打印任務(wù)[1]。因此本系統(tǒng)采用LPC1766(Cortex-M3內(nèi)核)為微控制器。該控制器的頻率高達100 MHz，并擁有512 KB的Flash、64 KB的SRAM、10/100 M Ethernet MAC以及SPI、SSP等優(yōu)越的性能，可以滿足本系統(tǒng)的所有要求[2]。以LPC1766為核心的控制器結(jié)合以太網(wǎng)接口電路、打印機控制電路、人機界面電路(液晶顯示電路、按鍵電路、報警電路)、電源電路構(gòu)成整機系統(tǒng)。整機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　熱敏打印機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1以太網(wǎng)接口電路

要實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊，首先要構(gòu)建以太網(wǎng)的硬件電路，主要包括以太網(wǎng)的鏈路層(MAC)、物理層(PHY)、網(wǎng)絡(luò)變壓器以及網(wǎng)絡(luò)接口的構(gòu)建。LPC1766已包含一個功能齊全的10/100 Mbps以太網(wǎng)鏈路層(MAC)。所以只需要一個物理層(PHY)芯片和一個網(wǎng)絡(luò)變壓器與之配合使用。LPC1766內(nèi)部的以太網(wǎng)鏈路層(MAC)提供了MII(媒體獨立接口)和RMII(簡化的MII)兩種接口。在本設(shè)計中選擇了KSZ8041NL作為物理層(PHY)芯片。KSZ8041NL的發(fā)送信號(TX+、TX-)和接收信號(RX+、RX-)兩組引腳與網(wǎng)絡(luò)接口(RJ-45)相連接；XI、XO是晶振輸入；INTRP是中斷輸出口；LED0、LED1是網(wǎng)絡(luò)連接指示燈和網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示燈；其它引腳是MII接口和RMII接口的控制線，可選擇一種接口模式與LPC1766以太網(wǎng)控制器MAC相連接。本設(shè)計使用RMII接口模式。LPC1766與KSZ8041NL的連接電路如圖2所示。從PHY芯片輸出的信號不能直接接到網(wǎng)絡(luò)接口(RJ-45)上，必須使用一個網(wǎng)絡(luò)變壓器作隔離，在本系統(tǒng)中，使用了HR601680網(wǎng)絡(luò)變壓器。

圖2　LPC1766與KSZ8041NL連接電路圖

1.2打印機控制電路

打印機控制電路主要包括打印機的驅(qū)動電路、走紙步進電機驅(qū)動電路、過熱保護電路、缺紙檢測電路、滾筒打開檢測電路。

1.2.1打印機驅(qū)動電路

本熱敏打印機驅(qū)動控制信號主要由CLK、DI、/LAT、STB12、STB34控制，可以由處理器的I/O端口控制。因為LPC1766處理器I/O端口輸出的是3.3 V，打印機控制信號線輸出的是5 V，所以兩邊的電壓需要匹配。本系統(tǒng)使用74LVC4245作3.3 V到5 V的電壓轉(zhuǎn)換，并且達到了打印機控制電路與LPC1766控制器有一定的隔離作用。打印機驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3　打印機的驅(qū)動電路

1.2.2走紙步進電機驅(qū)動電路

打印機的另一個重要的電路是走紙步進電機的驅(qū)動電路。LT2321HSPE型號的熱敏打印機的步進電機供電電壓是24 V，本系統(tǒng)采用了步進電機控制芯片A3967LSB來實現(xiàn)對步進電機的控制。該芯片最高輸入電壓為30 V，最高輸出電流為780 mA，輸入的邏輯電壓為5 V，剛好適合本系統(tǒng)。該芯片外部電路簡單，控制也很方便，只要2條控制信號線STEP和ENABLE就可以對步進電機進行控制。

1.2.3過熱保護電路

熱敏打印頭的溫度不能過高，否則就會燒壞打印頭，因此還要設(shè)計一個保護熱敏打印頭的硬件電路。熱敏打印機上有一個測量打印頭溫度的熱敏電阻Rt，根據(jù)打印機數(shù)據(jù)手冊的說明，當(dāng)打印頭的溫度超過60 ℃時，就必須停止打印，直到打印頭的溫度降到40 ℃時，才可以重新打印。

1.2.4缺紙檢測電路

LT2321HSPE型號的熱敏打印機提供缺紙檢測功能。打印機的紙檢測傳感器是一對反射性的光電傳感器。當(dāng)有紙時，發(fā)光二極管的光線經(jīng)過紙反射到光電傳感器上，此時光電傳感器呈導(dǎo)通狀態(tài)，輸出0.2 V的低電平；當(dāng)無紙時，光電傳感器不導(dǎo)通，輸出3.2 V的高電平。

1.2.5滾筒打開檢測電路

LT2321HSPE熱敏打印機也提供滾筒打開檢測的功能。滾筒打開檢測傳感器其實就相當(dāng)于一個開關(guān)，當(dāng)滾筒打開時，傳感器開關(guān)打開，此時輸出0.1 V的低電平；當(dāng)滾筒關(guān)閉時，傳感器開關(guān)閉合，此時輸出3.2 V的高電平。

1.3人機界面電路

一個好的人機界面需要視覺、聽覺、觸覺互相給合。美觀的圖形液晶、功能齊全的鍵盤以及清晰的聲音。系統(tǒng)的人機界面電路包括了三部分：液晶顯示電路、按鍵電路、報警電路。在系統(tǒng)中，使用了液晶屏TFT208E作顯示器，使用了輕觸按鍵作輸入鍵盤，使用了蜂鳴器作為報警輸出。系統(tǒng)的人機界面電路如圖4所示。

圖4　人機界面電路

2熱敏微型打印機總體軟件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括四大程序模塊，分別是：底層驅(qū)動程序模塊，實時內(nèi)核模塊，中間件模塊，應(yīng)用層模塊。

圖5　系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)

2.1底層驅(qū)動程序模塊

底層驅(qū)動程序模塊包含以太網(wǎng)驅(qū)動、打印頭驅(qū)動、GUI驅(qū)動。以太網(wǎng)驅(qū)動向下控制LPC1766片內(nèi)MAC，向上為LwIP協(xié)議棧提供網(wǎng)絡(luò)接口初始化、數(shù)據(jù)包收發(fā)等接口函數(shù)。打印頭驅(qū)動向下控制實際的打印頭，向上為打印線程提供控制接口函數(shù)。GUI驅(qū)動向下控制TFT屏和按鍵模塊，向上則為μC/GUI圖形庫提供接口函數(shù)。

2.2實時內(nèi)核模塊

實時內(nèi)核模塊即μC/OS實時內(nèi)核。內(nèi)核管理整個系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務(wù)機制，同時提供任務(wù)間的同步與通信機制來協(xié)調(diào)應(yīng)用層任務(wù)之間，以及任務(wù)與中斷處理程序的關(guān)系。

2.3中間件模塊

包含LwIP協(xié)議棧和μC/GUI圖形庫。LwIP協(xié)議棧為系統(tǒng)提供TCP/IP通信功能，μC/GUI圖形庫提供了優(yōu)美的圖形界面，用于顯示打印機的狀態(tài)信息。

2.4應(yīng)用層模塊

包含三個線程，分別為隊列管理線程、協(xié)議處理線程、打印線程。這三個任務(wù)相互協(xié)調(diào)，并通過中間件和底層驅(qū)動函數(shù)完成系統(tǒng)的打印功能。

3總結(jié)

本文根據(jù)熱敏打印系統(tǒng)的原理、特點，提出了以高性價比的LPC1766為主控芯片的以太網(wǎng)微型熱敏打印驅(qū)動及系統(tǒng)的設(shè)計方案，結(jié)合熱敏打印頭和主控芯片的特點，設(shè)計了熱敏打印頭與主控芯片之間的硬件驅(qū)動電路，具體主要包括：打印機的驅(qū)動電路、步進電機的驅(qū)動電路、過熱保護電路、缺紙檢測電路、滾筒打開檢測電路。完成了熱敏打印機系統(tǒng)軟件的設(shè)計，包括打印的軟件驅(qū)動、液晶顯示的軟件驅(qū)動、以太網(wǎng)通信的軟件驅(qū)動、字庫芯片的軟件驅(qū)動等，對各個硬件和軟件模塊進行調(diào)試，協(xié)調(diào)各個模塊之間的功能，最終完成了微型熱敏打印系統(tǒng)的設(shè)計。

參考文獻

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[3]周立功.深入淺出Cortex-M3—LPC1700(下冊)[M].廣州致遠電子有限公司，2009,6:273-275.

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The Ethernet Thermal Printer Based on the LPC1766

Liu Zuolian, He Qingping

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,GuangzhouUniversity,GuangzhouGuangdong501006,China)

Abstract:The Ethernet thermal printer is built with Ethernet interface circuit, printer control circuit and the PC software etc which uses the NXP company LPC1766 as the control core. The μC/OS-Ⅱ operation system, TCP/IP protocol, and μC/GUI graphical interface are embedded in the device, and the system uses μC/OS-Ⅱ to achieve a multi-task operation. The paper discusses the hardware circuit and illustrates the software architecture. The device adopts the 100M Ethernet communication to achieve the printer sharing in the LAN.

Key words:LPC1766MCU; Ethernet; thermal printer

收稿日期：2016-02-16

作者簡介：劉佐濂(1970- )，男，廣東增城人，高級實驗師，主要研究方向：電路系統(tǒng)，精密光電檢測。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0014- 03

中圖分類號：TP334.8

文獻標(biāo)識碼：A