基于FPGA與VHDL的微型打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：為了取代傳統(tǒng)利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)微型打印機(jī)，使用Altera公司的FPGA芯片EP3C225Q240C8N設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)的硬件控制電路，并正確控制微型打印機(jī)的工作時(shí)序。軟件使用硬件描述語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)對(duì)微型打印機(jī)的時(shí)序控制，并通過(guò)QuartusⅡ軟件平臺(tái)下栽到FPGA調(diào)試通過(guò)，證明該方法行之有效，完全可以取代傳統(tǒng)利用單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)微型打印機(jī)，且抗干擾性好，可靠性高，具有較強(qiáng)的可移植性。
關(guān)鍵詞：微型打印機(jī)；VHDL；時(shí)序；FPGA

0 引言
    FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列。是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型高性能可編程邏輯器件。FPGA的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬(wàn)門到數(shù)千萬(wàn)門不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。新一代的FPGA甚至集成了中央處理器(CPLU)或數(shù)字處理器(DSP)內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC)提供了強(qiáng)大的硬件支持。對(duì)微型打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)方法是使用單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)對(duì)其的時(shí)序控制。隨著FPGA在各領(lǐng)域的普及使用，以及對(duì)微型打印機(jī)的需要，因此要實(shí)現(xiàn)FP-GA對(duì)微型打印機(jī)的時(shí)序控制。
    當(dāng)前各ASIC芯片制造商都相繼開(kāi)發(fā)了用于各自目的的HDL語(yǔ)言，但是大多數(shù)都為標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。惟一被公認(rèn)的是美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的VHDL語(yǔ)言，它已成為IEEE STD_1076標(biāo)準(zhǔn)。另外從近期HDL語(yǔ)言發(fā)展的動(dòng)態(tài)來(lái)看，許多公司研制的硬件電路設(shè)計(jì)工具業(yè)都逐漸向VHDL語(yǔ)言靠攏，使得他們的硬件電路設(shè)計(jì)工具也能支持VHDL語(yǔ)言。
    VHDL語(yǔ)言可以支持自上而下和基于庫(kù)的設(shè)計(jì)方法，而且還支持FPGA的設(shè)計(jì)。

1 微型打印機(jī)簡(jiǎn)介
    RD-DH型微型打印機(jī)采用熱敏加熱點(diǎn)陣打印方式，是一款體積小，打印速度快的打印輸出設(shè)備。該型打印機(jī)可采用標(biāo)準(zhǔn)并行接口，RS232串行接口，TTL電平串口，485接口，USB接口，打印速度達(dá)到50 m／s，分辨率為8點(diǎn)／mm，384點(diǎn)／行，打印紙張采用57 mm熱敏紙。可打印國(guó)標(biāo)一、二級(jí)漢字庫(kù)中全部漢字和西文字、圖標(biāo)共8 178個(gè)。微型打印機(jī)并行接口與CENTRONICS標(biāo)準(zhǔn)接口兼容，可直接由微機(jī)并口或單片機(jī)控制。其26線雙排插座引腳序號(hào)如圖1所示。此26個(gè)并口各引腳信號(hào)定義如表1所示。

    注：“入”表示輸入到打印機(jī)；“出”表示從打印機(jī)輸出，信號(hào)的邏輯電平為TTL電平。
    對(duì)打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是對(duì)其工作時(shí)序進(jìn)行正確的控制，RD-DH型并行接口定時(shí)圖如圖2所示。

2 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    使用Altera公司的CyelonⅢ系列的FPGA芯片EP3C25Q240C8N實(shí)現(xiàn)對(duì)RD-DH型微型打印機(jī)的硬件電路控制，使用QuartusⅡ開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)微型打印機(jī)的軟件功能實(shí)現(xiàn)。
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    如圖3所示為打印機(jī)與FPGA的連接示意圖。DATA1～DATA8表示打印機(jī)的8個(gè)數(shù)據(jù)位，他們的邏輯‘1’表示高電平，邏輯‘O’表示低電
平；-STB為數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖，下降沿時(shí)讀入數(shù)據(jù)；-ACK為回答脈沖，低電平表示數(shù)據(jù)已被接受；BUSY為高電平時(shí)表示打印機(jī)正忙，此時(shí)不接收數(shù)據(jù)。由于-ACK和BUSY輸出的是5 V的TTL電平，而FPGA的I／O口標(biāo)準(zhǔn)為3．3 V LVCMOS電平，因此這兩個(gè)信號(hào)作為FPGA的輸入信號(hào)時(shí)，要進(jìn)行分壓，保證電路正常運(yùn)行。

2．2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件平臺(tái)采用Altera公司的FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)QuartusⅡ。QuartusⅡ提供了一種與器件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者不需要精通器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需要運(yùn)用自己熟悉的輸入工具(如原理圖輸入或數(shù)字電路描述語(yǔ)言輸入)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用QuartusⅡ可以將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為最終結(jié)構(gòu)所需要的格式。有關(guān)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)知識(shí)已寫入開(kāi)發(fā)工具軟件，設(shè)計(jì)人員無(wú)需手工優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。軟件的開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

    使用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。對(duì)微型打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是對(duì)其工作時(shí)序進(jìn)行正確的控制，利用VHDL常見(jiàn)的狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)的工作時(shí)序的控制，根據(jù)時(shí)序圖1所示的時(shí)序，狀態(tài)機(jī)使用4個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。
    初始狀態(tài)STATE0時(shí)，數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號(hào)STB置‘1’(高電平)，檢測(cè)打印機(jī)是否正忙，如果打印機(jī)為空閑狀態(tài)(busy=‘0’)，轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)STATE1，否則(busy=‘1’)繼續(xù)執(zhí)行STATE0；在狀態(tài)STATE1，將數(shù)據(jù)寫入打印機(jī)，直接轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)；在狀態(tài)STATE2，將數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號(hào)STB置‘O’，打印機(jī)讀數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)；在狀態(tài)STATE3，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被接受，若數(shù)據(jù)已被接受(ACK=‘O’)，打印機(jī)轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)STATE0，等待接受新數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)未被接受(ACK=‘1’)，繼續(xù)執(zhí)行STATE3直到數(shù)據(jù)被接受。

3 結(jié)語(yǔ)
    使用FPGA與VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試能夠完成對(duì)打印機(jī)的時(shí)序控制，目前已經(jīng)在某型測(cè)試儀中正常使用。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，移植性較好，能夠用于任何使用FPGA芯片的系統(tǒng)中，具有一定的應(yīng)用前景。