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航芯方案分享 | 熱敏打印機方案
隨著電子信息化、自動化程度提高，條碼識別技術的發展，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，快速向商業零售、工業制造業、交通運輸業、物流、金融、彩票、醫療、教育等新興專業應用領域拓展。
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間后變成深色(一般是黑色，也有藍色)。這種化學反應是在一定的溫度下進行的。高溫會加速這種化學反應。當溫度低于60℃時，熱敏材料需要經過相當長，甚至長達幾年的時間才能變成深色；而當溫度為200℃時，這種反應會在幾微秒內完成。
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小電子加熱器提供的。加熱器排成方點或條的形式由打印機進行邏輯控制，當被驅動時，就在熱敏紙上產生一個與加熱元素相應的圖形。控制加熱元素的同一邏輯電路，同時也控制著進紙，因而能在整個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處理浮點數據，同時還支持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，內嵌數學硬件加速，內置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。芯片集成了一個12位多通道2M sps高精度ADC、一個12位2通道的DAC、多達3路運放、2路比較器，集成了1個高級定時器，6個通用16位定時器，1個通用32位定時器，2個基本16位定時器，1個系統看門狗，1個獨立看門狗，一個低功耗的實時鐘（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
?支持藍牙、USB、UART等多種通訊接口的打印方式
?支持無任務時自動進入斷電模式，續航時間更長
?支持打印高溫、缺紙和低電量報警
?SPI FLASH存放字庫，支持在線更新字庫，可調整字體、大小、粗細等
?支持MCU和BLE芯片固件在線升級
設計方案
圖2. 基于ACM32F403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UART、USB和藍牙接口接收數據，并通過ACM32F403芯片的Timer，GPIO，ADC、SPI等模塊進行熱敏打印機頭的打印工作。
具體流程如下：
1）通過UART、USB和藍牙接口接收數據，數據需要通過GBK碼的方式發送，并存儲到芯片內部；
2）將每個字的GBK碼，通過SPI接口查詢到SPI FLASH上字庫中對應的數據，并傳輸到打印buffer中；
3）芯片通過Timer來控制步進電機運行的速度和打印機頭加熱的時間，通過GPIO來控制加熱使能和控制步進電機的前進和后退，ADC來檢測打印機溫度，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實現了一個UART接收數據，SPI下載數據的系統，采用類似7816 T=1的數據格式進行傳輸，將字庫的BIN文件下載到SPI FLASH中，以實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SPI接口讀取字庫中內碼的數據，數據長度根據字體大小來定；
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. 打印機芯和步進電機原理圖
數據打印流程：
1）打印機開機流程；
2）將打印數據通過SPI接口傳輸到打印機緩存；
3）判斷是否是第一行，如果是打開電機Timer，并前進一步；
4）判斷是否是最后一行或者是否缺紙，如果是進入打印機關機流程；
5）開始加熱，打開加熱Timer，并等待加熱完成；
6）循環2）~5），直到打印完畢。
打印機開機流程：
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）打開熱敏頭邏輯電源；
4）打開熱敏頭加熱電源；
打印機關機流程：
1）停止加熱Timer；
2）關閉熱敏頭加熱電源；
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，首先可以按下SW1復位MCU，再不行可以按住正常開/關機鍵，再插入USB線使MCU復位；
3）開機：系統未通電時，按住開/關機鍵，此時MCU上電，MCU開始從eFlash啟動，初始化成功后將POWER_ON/OFF信號置高，雙色燈中的綠燈點亮(InitPass_常亮、內部鋰電池充電滿_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亮(Err1_常亮、Err2_1s閃、Err3_快閃)；
4）關機：系統通電時，按住開/關機鍵，Power_Check引腳會檢測到一個下降沿，并且接著會有持續的低電平，松開按鍵后，再將電源控制信號拉低；
5）正常關機的順序是：先滅燈，然后斷電機驅動電源和外設電源，再斷MCU電源；
6）PB1為開/關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，用戶按一下是要喚醒系統，長按是正常開關機；
7）沒有打印任務時，需要關閉電機電源和外設電源，來節省鋰電池電量；所以系統經過定時進入待機前，MCU關閉電機驅動電源/外設電源后，進入待機。
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標準外設庫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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