基于LPC2148的手持式熱敏條碼打印機(jī)研制

摘  要： 介紹了EAN-13常見(jiàn)商用條碼編碼格式，給出一個(gè)打印實(shí)例，設(shè)計(jì)一種基于LPC2148的熱敏打印機(jī)控制主板，并給出了系統(tǒng)硬件組成框圖。為使打印機(jī)工作于電池供電的便攜模式，設(shè)計(jì)了高效率電源管理電路。同時(shí)對(duì)中文字庫(kù)的編碼方法進(jìn)行研究后，按字庫(kù)使用頻度設(shè)計(jì)兩個(gè)字庫(kù)，并將常用字庫(kù)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。
　
條碼技術(shù)是自動(dòng)識(shí)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(shí)用等特點(diǎn)，是迄今為止最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，且條碼標(biāo)簽易于制作，識(shí)別裝置便宜、操作簡(jiǎn)單。

熱敏打印機(jī)具有噪聲低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等優(yōu)點(diǎn)，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(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)合。
　　
本文設(shè)計(jì)一種基于LPC2148的手持高速熱敏打印機(jī)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(yùn)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(xì)不同的黑白條按一定編碼規(guī)則排列組成的標(biāo)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(jiàn)[1]。
　　
EAN-13碼共有13位數(shù)字，按照“模塊組合法”進(jìn)行編碼。其符號(hào)結(jié)構(gòu)由8部分組成，如圖1所示。其中，最左邊第一個(gè)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(gè)數(shù)字的編碼方式取決于前置碼類(lèi)型。前置碼共10個(gè)，它決定左側(cè)6個(gè)數(shù)字的10種編碼方式，分A類(lèi)和B類(lèi)，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(yàn)碼，其編碼方式為固定C類(lèi)，校驗(yàn)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?xiàng)l碼的白細(xì)條，1代表?xiàng)l碼的黑細(xì)條。每個(gè)黑、白細(xì)條的寬度為0.33 mm[1]，實(shí)際中可由熱敏打印機(jī)的熱敏元件大小確定。打印機(jī)根據(jù)這個(gè)二進(jìn)制編碼即可打印出圖1所示的條碼。

2 熱敏打印機(jī)時(shí)序

選用精工LTPA245高速熱敏打印機(jī)，它共有384個(gè)熱敏打印機(jī)元件，排成行的形式。打印寬度為48 mm，驅(qū)動(dòng)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(gè)點(diǎn)行/秒(53.4 mm/s)~720個(gè)點(diǎn)行/秒(90 mm/s)[2]。LTPA245具有小巧、打印速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于條碼打印。

LTPA245采用串行通信接口，數(shù)據(jù)通過(guò)串行方式移入打印機(jī)內(nèi)部，其驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖2所示。其中，CLK為串行移位時(shí)鐘，DAT為串行移位數(shù)據(jù)，/LATCH為鎖存信號(hào)，DST為分段加熱控制信號(hào)。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(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)寄存器中。每一個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)1個(gè)加熱元件，當(dāng)該單元數(shù)據(jù)為0時(shí)，表示不加熱，為1時(shí)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(gè)bit（12 words）全部移入打印機(jī)之后應(yīng)產(chǎn)生1個(gè)/LATCH的鎖存信號(hào)（負(fù)脈沖），將數(shù)據(jù)送到打印寄存器。為防止打印電流過(guò)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(dòng)進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)紙前移一段距離，繼續(xù)打印[3]。

3 系統(tǒng)組成

打印機(jī)控制主板結(jié)構(gòu)如圖3所示，由主控CPU(AMR7)、打印頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路、通信接口、中文字庫(kù)、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(jì)

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(gè)通用I/O口。內(nèi)部集成USB2.0協(xié)議塊、IIC總線(xiàn)、SPI接口、2個(gè)ADC(14路)、1個(gè)DAC、2個(gè)UART。片上存儲(chǔ)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(qiáng)大，開(kāi)發(fā)周期短，更為詳細(xì)的資料見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

4.2 進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)
　　
一行打印結(jié)束，由進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)熱敏紙移動(dòng)到下一行繼續(xù)打印。LPTA245打印機(jī)采用2線(xiàn)4相微型小體積、大力矩精密步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)有A、B兩組線(xiàn)圈，4個(gè)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(shí)，電機(jī)便能勻速傳動(dòng)。

選用專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LB1836。該芯片共14個(gè)引腳，無(wú)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(dòng)Bust電路，輸出一個(gè)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(gè)穩(wěn)定的8.2 V電壓給鋰電池充電。在充電的過(guò)程中，CPU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓(VB)、充電電流(Vi)及電池溫度(VT)，以保護(hù)其不被過(guò)沖或異常溫升損壞。此外，通過(guò)控制Q1可在外接電源和電池之間切換。

LM2576是開(kāi)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(jī)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(shuō)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(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)
　　
國(guó)標(biāo)碼共有一級(jí)漢字3 755,二級(jí)漢字3 008，共有漢字6 763個(gè)。若按Ucdos漢字系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)計(jì)算，每個(gè)漢字為24×24點(diǎn)陣，一級(jí)簡(jiǎn)碼共需270 360 B個(gè)存儲(chǔ)單元，二級(jí)簡(jiǎn)碼共需216 576 B個(gè)存儲(chǔ)單元。數(shù)字、字母、符號(hào)等682個(gè),為24×12點(diǎn)陣，共需24 552 B存儲(chǔ)單元[5-6]。考慮到LPC2148內(nèi)部已集成512 KB Flash非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，將常用的一級(jí)漢字簡(jiǎn)碼和682個(gè)常用的符號(hào)存儲(chǔ)在CPU內(nèi)部，以提高訪問(wèn)速度，大約需占用CPU 295 KB個(gè)存儲(chǔ)單元。余下二級(jí)簡(jiǎn)碼則存放在外部擴(kuò)展的EEPROM芯片25LC040中。25LC040內(nèi)有512 KB存儲(chǔ)單元，接到CPU的UART1口，其工作在3.3 V時(shí)的傳輸速度為2 Mb/s[7]。

4.5 通信及保護(hù)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(gè)兼容16C550的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART口，每口帶16個(gè)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(hù)打印機(jī)，電路應(yīng)該具有缺紙、過(guò)熱檢測(cè)功能。圖5(a)為溫度檢測(cè)電路。圖中U3A接成比較器，負(fù)極接打印頭內(nèi)的NTC溫度電阻，正極接U3B輸出。U3B輸入來(lái)自CPU內(nèi)的DAC輸出。當(dāng)溫度超過(guò)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(xiàn)性及環(huán)境溫度的影響，U3A端的電壓可能不固定，CPU通過(guò)內(nèi)置可編程DAC輸出可變模擬電壓,能消除NTC的非線(xiàn)性影響以及提高對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)能力。
圖5(b)為缺紙檢測(cè)電路，當(dāng)打印機(jī)缺紙時(shí)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(gè)中斷以保護(hù)打印機(jī)不會(huì)因過(guò)熱和缺紙空打而損壞。

5   軟件設(shè)計(jì)
　　
這里介紹兩個(gè)重要的打印機(jī)進(jìn)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(shí)，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(hào)、漢字、控制符時(shí)，按圖6(b)流程合成非條碼的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。根據(jù)GB2312-80國(guó)標(biāo),數(shù)字、符號(hào)、漢字、控制符等按區(qū)位碼排列，每個(gè)漢字用2個(gè)字節(jié)表示其位置，第2個(gè)字節(jié)表示區(qū)位，第1個(gè)字節(jié)表示區(qū)中位置。計(jì)算機(jī)大多以機(jī)內(nèi)碼作為標(biāo)準(zhǔn)交換信息。區(qū)位碼和機(jī)內(nèi)碼的轉(zhuǎn)換按下式進(jìn)行：

機(jī)內(nèi)碼=區(qū)位碼+A0A0H                                   (1)
　　
無(wú)論是機(jī)內(nèi)碼或區(qū)位碼，都無(wú)法直接獲得漢字或字符在字庫(kù)中的存儲(chǔ)位置，因此還要將(1)式按下式映射到字庫(kù)的起始地址，忽略字庫(kù)存放的起始地址，只要求得其偏移量即可在字庫(kù)中找到其點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。因字符點(diǎn)陣占36 B，故：
　　
字符起始地址=（機(jī)內(nèi)碼-A0A1H）×36     (2)
　　
漢字點(diǎn)陣占72 B，故：
　　
漢字起始地址=（機(jī)內(nèi)碼-A0A1H）×72     (3)
　　
本文設(shè)計(jì)的熱敏打印機(jī),通過(guò)USB及RS-232通信口接收計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(diǎn)?；?strong>LPC2148的打印機(jī)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(chǎng)價(jià)值。