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技术文章—热敏式微型打印机工作原理解析

2019-06-17来源: EEWORLD关键字:热敏式微型打印机  N32G020

热敏式微型打印机(又称:微型打印机、微打)是在淡色材料上(通常是纸)覆上一层透明膜,将膜加热一段时间后变成深色(一般是黑色,也有蓝色),图像通过加热,在膜中产生化学反应而生成的,当温度为200℃时,这种反应会在几微秒内完成。

 

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图一:热敏式微型打印机

 

热敏式微型打印机的打印头中带有许多热敏型电阻,主控芯片控制热敏型电阻根据需要进行加热,当热敏打印机接收到打印字符/图片/二维码/一维码后,主控芯片根据位图数据控制打印头中对应的热敏电阻通电,从而加热出有规则的深色点,同时,主控芯片控制步进电机进行精确的滚纸操作,多次加热后,这些规则的深色点最后组成了有效字符/图片。

 

一.  微打部件构成

 

主要由以下三个部件构成:

图二:部件构成图

 

APP/人机界面(上左):实现人机交互界面,如智能终端APP、打印工具软件,用来输入打印数据、排版等操作。

核心控制板(上中):实现打印控制、数据交互、系统控制等处理。

热敏打印头(上右):实现热敏加热、走纸、过热信号输出、缺纸信号输出。

 

二.微打系统方案

 

图三:方案框图

 

微打三个主要部件的工作方式:

 

首先,通过人机交互『APP/人机界面』将命令/数据通过通讯接口发送到『核心控制板』上。

再次,『核心控制板』通过对应的接口接收打印数据,如接收为命令,则进行相应的命令处理;如打印字体格式修改命令、换行命令、字体效果缩放命令等;如接收为打印字符数据,根据字符类型(英文字符/汉字/其他日文/韩文等字符),转换为对应字符内码,通过字符内码从字库数据中定位、读取字符的字模点阵。之后,通过『核心控制板』上的MCU将点阵数据通过SPI接口传送给打印头。

最后,打印头接收到点阵数据后,结合MCU控制的加热使能信号进行加热处理,在加热期间,主控MCU会对加热时间、过热检测、缺纸检测进行相应处理,同时由MCU控制电机进行走纸操作,最终实现边打边走纸的效果。

 

三.N32G020产品的核心控制板硬件参考设计

 

核心控制板的主要功能是接收上层下发的打印命令/数据,数据转换、发送到打印头、控制打印头加热&电机走纸、按键&LED控制。

 

  

图四:核心控制板框图

 

其中较为关注的技术,有以下几点:

 

1、发送到打印头的是字符的点阵数据,每一个点阵对应到打印头的一个加热点,相当于是打印纸上的像素点,如富士通FTP-628M打印头,其一行像素点为384点,意思是每次可以同时处理384个像素点,每个像素点的宽度约为0.125mm,即一行宽度为0.125mm×384=48mm(实际有效宽度),一般打印纸两边边缘有保留空白10mm,一行总宽为58mm,称为58mm热敏式微型打印机。

2、打印头中的电机通常为4相步进电机,通过4个I/O口控制电机的四相八步,时序的实现是通过Timer定时器对I/O口进行翻转操作,最终实现电机走纸。

3、打印头中的发热,是通过打印头中的加热线STB实现,通过I/O口拉高STB就使能加热。

4、在加热前会检测是否缺纸,其原理是打印头内带有光电传感器,是通过光电传感器的光电转化,其位置处于塑胶滚轴下的光电传感器,当纸滚入滚轴后纸会挡住光电传感器的入口孔,阻止光线进入,然后经过光电转化后,打印头最终输出电平值,通过MCU的ADC模块对电压进行采样,如电压过低则缺纸,反之有纸(高低电压还需参考周边电路),过热检测,通过ADC采电平值,亦是同理。

以下是MCU对打印头的主控制图

 

图五:打印头控制图

 

四.主控MCU

 

微打方案采用N32G020K6/7/8,是国民技术基于ARM Cortex M0架构的32位低功耗、高性能处理器主控芯片。

 

图六:N32G020系列K8型号

 

其主要参数如下:

 

1)      高达80MHZ主频,2KB 指令Cache

2)      内置64K/128K/256K可选FLASH,20K 片内SRAM,10万次擦写,10年数据保持能力

3)      具有丰富的外设接口,包含2个SPI、3个UART、2个I2C、1个ISO7816接口、1个无晶振全速USB2.0

4)      集成1个12bit ADC 1Mbps采样率 最大10通道输入、1个10bit 400Kbps DAC、2个模拟比较器、最大8通道PWM输出、1个DMA 最大8通道

5)      配置5个32位Timer、1个32位RTC、1个看门狗、1个24bit Systick

6)      内嵌硬件高速加密算法引擎,AES、DES、RSA、ECC、SHA、CRC16及TRNG随机数发生器

7)      支持SWD调试接口、通用的JLink仿真器下载、调试。

8)      支持多模式的低功耗,最低可保持0.1uA以下。

9)      提供完整的SDK和参考设计

该系列产品的SPI0支持4线模式,最大20M 时钟,用于快速读取外部SPI FLASH字库数据,DMA可用于读取USB接口、UART接口数据,减少CPU的干预,提高系统数据处理性能,直接提高打印机打印速度!

 

五.方案实物

 

基于N32G020产品的热敏式微打方案,在鉴于同类微打方案的功能、性能对比之下,有更多特色与优势!

 

方案实物图,先睹为快:

图七:微打方案实物图

 

N32G020系列通用MCU芯片,与常规的热敏主控芯片相比,芯片集高性能、低功耗、安全特色(内置硬件存储保护和加、解密算法加速引擎)于一身,在热敏式微型打印机解决方案上,具有绝对优势:

 

A.   特色:

 

a)  支持富士通FTP-628 58mm打印头及国产精芯打印头

b)  支持ASCII字符、GB2312汉字、条形码、二维码、图片打印

c)  支持ESP/POS兼容ESC命令的票据打印

d)  支持UART、无驱USB有线打印

e)  支持蓝牙、WIFI等无线打印

 

B.   优势:

 

a)   业界高性能、低功耗且性价比高的ARM Cortex M0处理器芯片

b)   无MCU晶振、无USB晶振,节省BOM成本

c)   自带内部可控LDO输出,节省成本、降低功耗

d)   打印速度比其他同等打印头方案快20%以上

e)   支持硬件安全级代码保护,防抄板,保护方案

 

  国民技术将深耕物联网MCU领域,以高、中、低全系列化的产品演进路线,为各行业提供高性价比的创新整体解决方案和技术支持服务。针对其他种类微型打印机,公司将陆续推出相应的解决方案和产品,以全覆盖微型打印机市场为目标,为行业提供全方位方案保障。


关键字:热敏式微型打印机  N32G020

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