上海航芯 | 热敏打印机方案分享

随着电子信息化和自动化程度的提高，条形码识别技术的发展，热敏打印机的应用范围也在扩大。它已迅速扩展到商业零售、工业制造、交通、物流、金融、彩票、医疗、教育等新兴专业应用领域。

本文将介绍基于上海的航空芯ACM32F热敏打印机设计方案403。

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打印原理

热敏打印机的原理是在介质基础上（通常是纸）覆盖一层热敏材料，加热一段时间后变成深色（通常是黑色和蓝色）。这种化学反应是在一定温度下进行的。这种化学反应会加速高温。当温度低于60℃当温度为2000时，热敏材料需要很长时间，甚至几年才能变暗；℃这种反应将在几微秒内完成。

热敏打印机有选择地在热敏纸的确定位置加热，从而产生相应的图形。加热是由与热敏材料接触的打印头上的小电子加热器提供的。打印机逻辑形式由打印机逻辑控制，在热敏纸上产生与加热元素相对应的图形。控制加热元素的同一逻辑电路，同时控制进纸，从而在整个标签或纸张上打印图形。

图1. 热敏打印机的原理

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使用芯片

基于上海航芯的热敏打印机方案ACM32F403系列的MCU进行设计。

ACM32F403芯片采用高性能内核支持Cortex-M33和Cortex-M4F指令集。芯片内核支持一整套。DSP该指令用于数字信号处理，支持单精度FPU处理浮点数据也支持Memory Protection Unit（MPU）用于提升应用的安全性。

ACM32F403系列芯片最高工作频率可达180MHz，内嵌数学硬件加速，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。芯片集成了12个多通道2M sps高精度ADC、12位2通道DAC、多达3路运输和2路比较器集成了1个高级定时器、6个通用16位定时器、1个通用32位定时器、2个基本16位定时器、1个系统看门狗、1个独立看门狗和低功耗实时钟（RTC），内置多路UART、LPUART、SPI、I2C、I2S、CAN、全速USB通信外设等丰富，内建AES、CRC、TRNG等算法模块。

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方案特点

?支持蓝牙、USB、UART打印各种通信接口等

?无任务时支持自动断电模式，续航时间更长

?支持高温、缺纸、低电报警

?SPI FLASH存储字库，支持在线更新字库，可调整字体、大小、厚度等

?支持MCU和BLE芯片固件在线升级

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设计方案

图2. 基于ACM32F403热敏打印机设计方案框图

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功能介绍

1.多接口打印工艺

本方案可通过UART、USB通过蓝牙接口接收数据，并通过ACM32F403芯片的Timer，GPIO，ADC、SPI热敏打印机头打印等模块。

具体流程如下：

1）通过UART、USB需要通过蓝牙接口接收数据GBK发送代码并存储在芯片中；

2)每个字GBK码，通过SPI接口查询到SPI FLASH将相应的数据传输到打印中buffer中；

3）芯片通过Timer通过控制步进电机的运行速度和打印机头的加热时间GPIO控制步进电机的前进和后退，ADC检测打印机温度，最终完成打印工作。

图3. 多接口打印工艺

1.2 字库更新流程

本方案内部firmware实现了一个UART接收数据，SPI采用类似7816的系统下载数据 T=传输1的数据格式，传输字库BIN文件下载到SPI FLASH为了实现字库的下载和更新。因为片外SPI FLASH默认情况下，只支持24的原因*如果更换字体，需要重新下载字库文件。

图4. 字库下载流程

本方案支持字库更新，可调整打印字体的字体、大小、厚度等参数。字库更新后需要修改firmware打印不同字体的代码。

图5. 字体设置参数

1.3 字库调用流程

本方案中的SPI FLASH字体大小16*16或24*24的字库，并且有完整的配套firmware代码。

具体字库调用流程如下：

1）从UART、USB或BLE接口接收需要打印文本GBK码；

2）根据GBK计算字库中文本的内码；

3）通过SPI接口读取字库中内码的数据，数据长度根据字体大小确定；

4)将读取的数据传输到打印机头，完成打印。

图6. 字库调用流程

1.4 数据打印过程

图7. 数据打印软件流程

图8. 打印机芯和步进电机原理图

数据打印流程：

1)打印机启动流程；

2)通过打印数据SPI接口传输到打印机缓存；

3)判断是否是第一行，如果打开电机Timer，进一步；

4)判断是最后一行还是缺纸，如果进入打印机关流程；

5)开始加热，开始加热Timer，等待加热完成；

6）循环2）~5)，直到打印完成。

打印机启动流程：

1）将打印机DST(选择脉冲)信号为低电平；

2）将打印机LATCH(数据锁定)信号设置为高电平；

3)打开热敏头逻辑电源；

4)打开热敏头加热电源；

打印机关流程：

1）停止加热Timer；

2)关闭热敏头加热电源；

3）将打印机DST(选择脉冲)信号为低电平；

4）将打印机LATCH(数据锁定)信号设置为高电平；

5)关闭热敏头逻辑电源。

1.5 介绍电源控制系统

图9. 介绍电源控制系统

1)供电:系统采用单节锂电池4.2V或者USB 5V供电；

2）异常：当MCU当内部程序运行/死机时，可以先按下SW1复位MCU，如果不行，可以按住正常开/关键，然后插入USB线使MCU复位；

3)启动:系统未通电时，按住开/关键，此时MCU上电，MCU开始从eFlash启动，初始化成功后POWER_ON/OFF信号高，双色灯中的绿灯亮起(InitPass_常亮，内部锂电池充满充电_如果初始化失败或检测到异常/错误(如电池电量低、外设初始化失败、通信异常等)，点亮双色灯中的红灯(Err1_常亮、Err2_1s闪、Err3_快闪)；

4)关机:系统通电时，按住开/关键，Power_Check引脚会检测到下降边缘，然后会有持续的低电平，松开按钮，然后降低电源控制信号；

5)正常关机顺序为:先熄灯，再断电机驱动电源和外部电源，再断MCU电源；

6）PB1.打开/关闭按钮和系统唤醒按钮，SW一是系统唤醒按钮和复位按钮，通常用户按下是唤醒系统，长按是正常开关；

7)在没有打印任务的情况下，需要关闭电机电源和外设电源，以节省锂电池电量；因此，系统在定期待机前，MCU关闭电机驱动电源/外设电源后，进入待机。