摘 要： 介紹了EAN-13常見商用條碼編碼格式，給出一個打印實例，設(shè)計一種基于LPC2148的熱敏打印機控制主板，并給出了系統(tǒng)硬件組成框圖。為使打印機工作于電池供電的便攜模式，設(shè)計了高效率電源管理電路。同時對中文字庫的編碼方法進行研究后，按字庫使用頻度設(shè)計兩個字庫，并將常用字庫集成在CPU內(nèi)部。最后給出條碼、漢字及字符的打印編程思路。
關(guān)鍵詞： 熱敏打印機； ARM控制器； 條碼； 機內(nèi)碼； 字庫； 電池供電； 保護電路
條碼技術(shù)是自動識別與數(shù)據(jù)采集（AIDC）技術(shù)中應(yīng)用最古老、最成熟的技術(shù)，具有輸入速度快、可靠性高、采集信息量大、靈活實用等特點，是迄今為止最經(jīng)濟、實用的一種自動識別技術(shù)，且條碼標簽易于制作，識別裝置便宜、操作簡單。
熱敏打印機具有噪聲低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在POS終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域，尤其在物流、倉儲、工業(yè)生產(chǎn)等場合。
本文設(shè)計一種基于LPC2148的手持高速熱敏打印機器，采用電池供電，能打印條碼、漢字和字符等，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，物流運輸跟蹤等方面。其體積小，易于嵌入到其他需要打印功能的產(chǎn)品中。
1 一維條形碼打印原理
一維條形碼是由一組粗細不同的黑白條按一定編碼規(guī)則排列組成的標記,有UPC-E、EAN-8、EAN-13等多種格式，其中以EAN-8、EAN-13在商業(yè)領(lǐng)域最為常見[1]。
EAN-13碼共有13位數(shù)字，按照“模塊組合法”進行編碼。其符號結(jié)構(gòu)由8部分組成，如圖1所示。其中，最左邊第一個數(shù)字為前置碼，代表左側(cè)數(shù)據(jù)編碼規(guī)則。起始符不代表任何資料，為固定邏輯101。分隔符為固定邏輯01010，將數(shù)據(jù)資料分成左右兩部分。左側(cè)6個數(shù)字的編碼方式取決于前置碼類型。前置碼共10個，它決定左側(cè)6個數(shù)字的10種編碼方式，分A類和B類，具體編碼值可根據(jù)相關(guān)表格查找。右側(cè)有5位數(shù)據(jù)和1位校驗碼，其編碼方式為固定C類，校驗碼也可用作數(shù)據(jù)。
圖1中條碼的前置碼為9，左側(cè)數(shù)據(jù)編碼方式為ABBABA,右側(cè)為固定的CCCCCC，所以770157001687的編碼為101(起始)-0111011-0010001-0100111-0011001-000101-0111011-01010(中間碼)-1110010-1110010-1100110-1010000-1001000-1000100-101（結(jié)束）。其中，0代表條碼的白細條，1代表條碼的黑細條。每個黑、白細條的寬度為0.33 mm[1]，實際中可由熱敏打印機的熱敏元件大小確定。打印機根據(jù)這個二進制編碼即可打印出圖1所示的條碼。
2 熱敏打印機時序
選用精工LTPA245高速熱敏打印機，它共有384個熱敏打印機元件，排成行的形式。打印寬度為48 mm，驅(qū)動電壓為4.5 V~8.5 V，邏輯電壓為2.7 V~5.25 V，打印速度為427個點行/秒(53.4 mm/s)~720個點行/秒(90 mm/s)[2]。LTPA245具有小巧、打印速度快等優(yōu)點，適用于條碼打印。
LTPA245采用串行通信接口，數(shù)據(jù)通過串行方式移入打印機內(nèi)部，其驅(qū)動時序如圖2所示。其中，CLK為串行移位時鐘，DAT為串行移位數(shù)據(jù)，/LATCH為鎖存信號，DST為分段加熱控制信號。384 bit為一行數(shù)據(jù)，在CLK作用下，數(shù)據(jù)從DAT端逐一移入打印機內(nèi)數(shù)據(jù)寄存器中。每一個數(shù)據(jù)位對應(yīng)1個加熱元件，當(dāng)該單元數(shù)據(jù)為0時，表示不加熱，為1時表示加熱。熱敏紙被加熱的位置變黑，不加熱的位置不變色（白）。當(dāng)384個bit（12 words）全部移入打印機之后應(yīng)產(chǎn)生1個/LATCH的鎖存信號（負脈沖），將數(shù)據(jù)送到打印寄存器。為防止打印電流過大，控制DST0~DST5，使之逐一輸出1，這樣一行數(shù)據(jù)就分為6段（次）打印完畢。一行打印結(jié)束后，從A、/A、B、/B端送出脈沖，驅(qū)動進給電機帶動紙前移一段距離，繼續(xù)打印[3]。
3 系統(tǒng)組成
打印機控制主板結(jié)構(gòu)如圖3所示，由主控CPU(AMR7)、打印頭、電機驅(qū)動、保護電路、通信接口、中文字庫、電源管理電路等組成。采用全SMT貼片工藝，所有元件集成在一塊60 mm×70 mm的PCB電路板上，體積小巧。
4 硬件電路設(shè)計
4.1 主控CPU[4]
主控CPU選用NXP公司LPC2148微處理器。這是一片64腳的ARM7TDMI-S內(nèi)核微處理器。體積小，共有44個通用I/O口。內(nèi)部集成USB2.0協(xié)議塊、IIC總線、SPI接口、2個ADC(14路)、1個DAC、2個UART。片上存儲器容量大，共有512 KB Flash、32 KB RAM(8 KB與USB共享)。支持串口ISP、JTAG下載方式，功能強大，開發(fā)周期短，更為詳細的資料見參考文獻[4]。
4.2 進給電機驅(qū)動
一行打印結(jié)束，由進給電機帶動熱敏紙移動到下一行繼續(xù)打印。LPTA245打印機采用2線4相微型小體積、大力矩精密步進電機。電機有A、B兩組線圈，4個控制端，分別為A、/A、B、/B。當(dāng)按表1的規(guī)律給這些控制端送入脈沖時，電機便能勻速傳動。
選用專用步進電機驅(qū)動芯片LB1836。該芯片共14個引腳，無需外圍元件，通電即可工作。
4.3 電源管理電路
電源管理電路包括電池充電、電源切換、穩(wěn)壓電路，如圖4所示。由CPU的硬件PWM模塊產(chǎn)生38 kHz的脈沖驅(qū)動Bust電路，輸出一個穩(wěn)定的直流電壓。輸入12 V電壓，經(jīng)Bust電路降壓得到一個穩(wěn)定的8.2 V電壓給鋰電池充電。在充電的過程中，CPU實時監(jiān)測電池電壓(VB)、充電電流(Vi)及電池溫度(VT)，以保護其不被過沖或異常溫升損壞。此外，通過控制Q1可在外接電源和電池之間切換。
LM2576是開關(guān)型電源穩(wěn)壓芯片，效率高，最大輸出電流為3 A，能為打印機提供穩(wěn)定、較大的工作電流及電壓(VPP/VE)。AM1117產(chǎn)生3.3 V電壓供所有集成電路使用。需要說明的是，LPTA245的邏輯電壓能工作在3.3 V，與CPU的邏輯一致，所以能直接連接。
4.4 標準字庫
國標碼共有一級漢字3 755,二級漢字3 008，共有漢字6 763個。若按Ucdos漢字系統(tǒng)標準字庫計算，每個漢字為24×24點陣，一級簡碼共需270 360 B個存儲單元，二級簡碼共需216 576 B個存儲單元。數(shù)字、字母、符號等682個,為24×12點陣，共需24 552 B存儲單元[5-6]?？紤]到LPC2148內(nèi)部已集成512 KB Flash非揮發(fā)性存儲器，將常用的一級漢字簡碼和682個常用的符號存儲在CPU內(nèi)部，以提高訪問速度，大約需占用CPU 295 KB個存儲單元。余下二級簡碼則存放在外部擴展的EEPROM芯片25LC040中。25LC040內(nèi)有512 KB存儲單元，接到CPU的UART1口，其工作在3.3 V時的傳輸速度為2 Mb/s[7]。
4.5 通信及保護電路
與外部通信采用USB及RS-232通信接口。由于LPC2148內(nèi)部集成USB2.0協(xié)議及接口電路[4]，外接插頭即可工作。LPC2148內(nèi)部集成2個兼容16C550的符合工業(yè)標準的UART口，每口帶16個發(fā)送/接收FIFO緩沖器，外接RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片即可使用。
為保護打印機，電路應(yīng)該具有缺紙、過熱檢測功能。圖5(a)為溫度檢測電路。圖中U3A接成比較器，負極接打印頭內(nèi)的NTC溫度電阻，正極接U3B輸出。U3B輸入來自CPU內(nèi)的DAC輸出。當(dāng)溫度超過設(shè)定值后從T-PR端產(chǎn)生脈沖觸發(fā)CPU中斷。由于NTC電阻的非線性及環(huán)境溫度的影響，U3A端的電壓可能不固定，CPU通過內(nèi)置可編程DAC輸出可變模擬電壓,能消除NTC的非線性影響以及提高對環(huán)境溫度的適應(yīng)能力。
圖5(b)為缺紙檢測電路，當(dāng)打印機缺紙時Q5受D3光照而導(dǎo)通，P-V端輸出低電平觸發(fā)CPU中斷。CPU響應(yīng)圖5中的兩個中斷以保護打印機不會因過熱和缺紙空打而損壞。
5 軟件設(shè)計
這里介紹兩個重要的打印機進程：(1)條碼打印;(2)非條碼打印。當(dāng)CPU接收的數(shù)據(jù)作為條碼打印時，按圖6(a)流程合成EAN-13的條碼數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU接收到的數(shù)據(jù)作為非條碼的數(shù)字、符號、漢字、控制符時，按圖6(b)流程合成非條碼的點陣數(shù)據(jù)。根據(jù)GB2312-80國標,數(shù)字、符號、漢字、控制符等按區(qū)位碼排列，每個漢字用2個字節(jié)表示其位置，第2個字節(jié)表示區(qū)位，第1個字節(jié)表示區(qū)中位置。計算機大多以機內(nèi)碼作為標準交換信息。區(qū)位碼和機內(nèi)碼的轉(zhuǎn)換按下式進行：
機內(nèi)碼=區(qū)位碼+A0A0H (1)
無論是機內(nèi)碼或區(qū)位碼，都無法直接獲得漢字或字符在字庫中的存儲位置，因此還要將(1)式按下式映射到字庫的起始地址，忽略字庫存放的起始地址，只要求得其偏移量即可在字庫中找到其點陣數(shù)據(jù)。因字符點陣占36 B，故：
字符起始地址=（機內(nèi)碼-A0A1H）×36 (2)
漢字點陣占72 B，故：
漢字起始地址=（機內(nèi)碼-A0A1H）×72 (3)
本文設(shè)計的熱敏打印機,通過USB及RS-232通信口接收計算機標準機內(nèi)碼交換碼，能打印條碼、字符、漢字等，具有體積小、重量輕、速度快的優(yōu)點?；?strong>LPC2148的打印機控制主板、元件少、體積小、性能可靠、集成度高，重要的是可嵌入到其他產(chǎn)品中，具有一定的市場價值。
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