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Alt era 公司的FPGA 芯片EP3C25Q240C8N 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言VH DL 實(shí)現(xiàn)對(duì)微型打印機(jī)的時(shí)序控制，并通過Quar tus  軟件平臺(tái)下載到FPGA 調(diào)試通過，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。

　　0   引  言

　　FPGA 即現(xiàn)場可編程邏輯陣列。是在CPLD 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來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)萬門到數(shù)千萬門不等，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( CPU ) 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)FPGA 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發(fā)了用于各自目的的HDL 語言，但是大多數(shù)都為標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。惟一被公認(rèn)的是美國國防部開發(fā)的VHDL 語言，它已成為IEEE ST D_1076 標(biāo)準(zhǔn)。另外從近期HDL語言發(fā)展的動(dòng)態(tài)來看，許多公司研制的硬件電路設(shè)計(jì)工具業(yè)都逐漸向VHDL 語言靠攏，使得他們的硬件電路設(shè)計(jì)工具也能支持VHDL 語言。

　　VHDL 語言可以支持自上而下和基于庫的設(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，RS 232 串行接口，T TL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?？纱蛴鴺?biāo)一、二級(jí)漢字庫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。

圖1  雙排插座引腳序號(hào)

表1   微型打印機(jī)26 并口各引腳定義

　　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。

圖2   并行接口定時(shí)圖

　　2   總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　使用Altera 公司的Cyclon ?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Quar tus  開發(fā)工具，通過VHDL 語言實(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。

　　DATA 1~ 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“0”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TT L 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。

圖3   FPGA 與打印機(jī)連接示意圖

　　2. 2   軟件設(shè)計(jì)

　　軟件平臺(tái)采用A ltera 公司的FPGA 開發(fā)平臺(tái)Q uartus  。

　　Quartus  提供了一種與器件結(jié)構(gòu)無關(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)字電路描述語言輸入) 進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Quar tus  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)已寫入開發(fā)工具軟件，設(shè)計(jì)人員無需手工優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。軟件的開發(fā)流程如圖4 所示。

圖4  軟件開發(fā)流程圖

　　使用VHDL 硬件描述語言來進(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 常見的狀態(tài)機(jī)來實(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)STA TE0 時(shí)，數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號(hào)STB 置“1” ( 高電平) ，檢測打印機(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)STAT E1,否則( busy = “1 ” ) 繼續(xù)執(zhí)行ST AT E0; 在狀態(tài)STAT E1，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)STAT E2，將數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號(hào)STB 置“0” ，打印機(jī)讀數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入下一狀態(tài); 在狀態(tài)ST ATE3，檢測數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被接受，若數(shù)據(jù)已被接受( ACK = “0” ) ，打印機(jī)轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)ST AT E0，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STAT E3 直到數(shù)據(jù)被接受。

圖5   狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　3   結(jié)  語

　　使用FPGA 與V HDL 硬件描述語言設(shè)計(jì)的微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過系統(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)在某型測試儀中正常使用。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制簡單，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。