毕业论文设计-基于LPC1700的USB针式打印机.doc

USB针式穿孔打印机基于LPC1700姓 名： 陈 苏 强 专 业： 电子信息工程 毕 业 院 校： 福建师范大学 所 属 部 门： 嵌入式系统事业部 指导工程师： 蓝武强 提 交 时 间： 2009 年 4 月 28 日学位论文目 录第1章 绪论11.1项目研究的背景和意义11.2国内外研究现状与发展趋势11.3系统功能指标1第2章 系统设计理论基础22.1微型打印机22.1.1热敏打印机22.1.2激光打印机22.1.3针式打印机22.2USB总线概述32.2.1USB的开发目的32.2.2USB设计特色32.2.3USB系统构成42.2.4USB的包结构42.2.5USB的描述符及其之间的关系52.2.6USB的传输类型62.3LPC1700系列微处理器6第3章 总体方案设计73.1总体方案设计73.2TFT液晶屏7第4章 系统硬件设计84.1核心板工作外围器件84.1.1复位电路84.1.2时钟电路84.1.3JTAG接口电路94.2电源电路设计104.2.1系统用电分析104.2.2电源电路选型104.3USB接口电路设计104.4打印机芯电路设计104.4.1主位置检测104.4.2缺纸检测104.4.3黑标检测104.4.4托架步进电机驱动104.4.5走纸步进电机驱动104.4.6打印头保护与驱动电路104.5TFT液晶显示电路设计104.6字库芯片电路设计10第5章 系统软件设计115.1上位机软件设计115.2USB通信协议115.2.1USB枚举过程115.2.2ZLG/USB Device软件包125.3打印机ESC/POS协议命令135.4打印机芯底层驱动135.5TFT液晶显示135.6字库芯片13第6章 系统调试与结果分析146.1软件调试146.2硬件调试14第7章 设计总结15参考文献16附录A172第1章 绪论1.1 项目研究的背景和意义嵌入式系统是当今IT界最热门的概念之一，随着ARM技术的不断推广，现在人们的日常生活中，早已存在许许多多嵌入式系统的应用，如天天必用的手机以及现在流行的个人数字助理(PDA)、数码相机等等。可以说嵌入式系统现在已经广泛应用于军事、工业、商业、医疗、个人家庭等的方方面面。随着打印技术的不断发展，打印机与我们日常生活的联系越来越来密切。微型打印机，作为打印机中重要的一员，它因体积小、操作电压低等特点，在我们的日常生活中得到广泛的利用。近年来，喷墨打印机和激光打印机迅速发展，而打印机产品线中“资格”最老的针式打印机渐渐淡出了用户的视野。实际上，由于工作原理的特殊性，目前只有针式打印机才能够进行多层票据的复写打印，并且打印的票据可用于长久保存。也正因如此，针式打印机在金融、税务、电信、商务等行业中占据了很大的市场份额。可以说，针式打印机在成熟应用的过程中不断找到了新的增长点，并不断在推动着市场的发展。本毕业设计提供一款以USB接口为数据传输通道的针式打印机。该打印机不仅能通过USB接口快速与PC机进行通信，实现上位机所需信息的打印功能，同时亦能在液晶屏上实时显示打印状态。良好的人机交互界面使用户操作起来更简单，实用。1.2 国内外研究现状与发展趋势1.3 系统功能指标第2章 系统设计理论基础2.1 微型打印机微型打印机是计算机系统当中十分重要的设备之一。作为计算机的输出，它将文字和图片等信息转化为各种纸制文档，因此在人们日常生活当中不可缺少。打印机种类繁多，从工作方式可以分为：针式打印机、热敏打印机、激光打印机和其他特种打印机。2.1.1 热敏打印机热敏打印机是比较常见的一种打印机，它的工作关键部分在于热敏元件。热敏元件是打印机机芯上的一排微小的发热电阻，这些元件排列的很紧密，当热敏元件通过一定的电流时会产生高温，而热敏介质在高温下则会发生化学反应并改变颜色，因此在打印纸上显示出需要的信息。热敏打印机具有体积小、打印速度快、噪音低、打印清晰，使用方便等优点。但它也存在缺点，因为其使用的是热敏纸，所以不能无限期保存，一般只能保存一年到五年。2.1.2 激光打印机激光打印是一种新型打印方式，以其使用起来快速、方便，精度高的特点广泛运用在各种台式打印机当中。它相对于传统的打印机区别在于：激光打印机逐页扫描，一次就能实现整张纸的打印，不需要像传统打印方式那样来回移动打印头，因此其打印速度上具有相当大的优势，适合打印数量大，任务重的场合，如大型商务机构，设计、印刷领域等等。但是激光打印机也有其缺点就是打印硒鼓很容易损害，需要经常更换，因此该种打印机容易造成资源的浪费，不易实现环保。同时，激光打印机体积、重量较大，价钱也相对的高，在很多实际打印数量，速度要求并不高的场合，并不是很适用。2.1.3 针式打印机针式打印机是通过打印头的伸缩冲击色带实现打印效果的，其缺点在于噪声较高、分辨率较低、打印针易损坏，但近年来由于技术的发展，较大地提高了针式打印机的打印速度、降低了打印噪声，改善了打印品质，并使针式打印机向着专用化、专业化方向发展。目前的针式打印机在性能方面有了很大的提高。就易用性来说，经常需要面对厚度不同、输出方式各异的打印材料以及各种不同的使用环境。而针式打印机以其结构简单、结实、操作方便，适合在长期负荷的恶劣环境，公共场所等对字迹不十分苛求的场合中使用。表 2.1 不同打印机性能比较类型优点缺点适用环境针式打印机机械结构简单，操作方便，打印字迹保存时间长，价格便宜，环保性好速度慢，噪声大，分辨率低，要更换色带可在恶劣的环境条件下工作，对字迹要求不十分苛刻 热敏打印机体积小、打印速度快、噪音低、打印清晰，使用方便打印字迹保存时间较短，控制不当极易烧坏打印头如银行自助终端设备等少量汉字图像打印设备激光打印机精度高，速度快，噪声低，打印信息量大，效率高价格昂贵，体积大，打印硒鼓易坏，不利于环保批量打印，印刷领域基于以上各式打印机的比较分析，由于本设计对打印信息量及速度没有很高的要求，因此准备采用9阵针式打印机，实现简单字符，图形的基本打印功能。2.2 USB总线概述2.2.1 USB的开发目的通用串行总线的开发目的主要基于以下三点考虑：(一)计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基本的应用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。然而，由于目前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而USB则可以广泛的连接计算机和电话。(二)易用性：众所周知,PC机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接口和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易于改装。但以终端用户的眼光来看，PC机的输入/输出，如串行/并行端口、键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，USB正是在这种情况下问世的。(三)端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一个双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备(诸如电话/电传/调制解调器的适配器、扫描仪、键盘、PDA)的开发。现有的连接只可对极少设备进行优化，对于PC机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要，USB就应运而生。它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可以满足PC机发展的现在和未来的需要。2.2.2 USB设计特色USB的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，其主要特色可归结为以下几点：(1) 终端用户的易用性：l 为接缆和连接头提供了单一模型；l 电气特性与用户无关；l 自我检测外设，自动地进行设备驱动、设置；l 动态连接，动态重置的外设。(2) 广泛的应用性：l 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率；l 在同一线上支持同步、异步两种传输模式；l 支持对多个设备的同时操作；l 可同时操作127个物理设备；l 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流；l 支持多功能的设备；l 利用低层协议，提高了总线利用率。(3) 同步传输带宽：l 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用；l 同步工作可以利用整个总线带宽。(4) 灵活性：l 直接一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器大小的选择；l 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率；l 通过协议对数据流进行缓冲处理。(5) 健壮性：l 出错处理/差错恢复机制在协议中使用；l 对用户感觉而言，热插拔是完全实时的；l 可以对有缺陷设备进行认定。(6) 与PC产业的一致性：l 协议的易实现性和完整性；l 与PC机的即插即用的体系结构的一致；l 对现存操作系统接口的良好衔接。(7) 价廉物美：l 以低廉的价格提供1.5兆比特率的子通道设施；l 将外设和主机硬件进行了最优化的集成；l 促进了低价格的外设的发展；l 廉价的电缆和连接头；l 运用了商业技术。(8) 升级路径：l 体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个USB主机控制器。2.2.3 USB系统构成USB总线由以下4个主要部分组成：l 主机与设备：这是USB系统中的主要构件；l 物理构成：这是指USB元件的连接方法；l 逻辑构成：不同的USB元件所担当的角色和责任，以及主从机和设备的角度出发USB总线所呈现的结构；l 客户软件与设备功能接口的关系。主机的每一个层次分别对应设备的相应层次，通过逻辑通道连接起来，客户软件通过逻辑连接可以直接控制设备的接口模块。这种连接使软件控制与接口一一对应，用户使用起来可以更加简单、快捷。2.2.4 USB的包结构USB总线上传输数据是以包为基本单位的。一个包被分成不用的域。根据不同类型的包，所包含的域是不一样的，但是不同的包有个共同的特点。它都要以同步域开始，紧跟着一个包标识符PID(Packet Identifier)，最终以包结束符EOP（End Of Packet）来结束这个包。所有的包都从同步域（SYNC）开始的，同步域是产生最大的边缘转换密度（Edge TransitionDensity）的编码序列。同步域作为空闲状态出现在总线上，后面跟着以NRZI编码的二进制串“KJKJKJKK”。通过被定义为8位长的二进制串，输入电路以本地时钟对齐输入数据。同步域是用于同步的机制，同步域里的最后的2位是同步域结束的记号，并且标志了包标识符（PID，Packet Identifer）的开始。所有USB包的同步字段后都紧跟着包标识符（PID）。如图 2.1所示，包标识符由4位的包类型字段和其后的4位的校验字段构成。包标识符指出了包的类型，并由此隐含地指出了包的格式和包上所用错误检测的类型。包标识符的4位的校验字段可以保证包标识符译码的可靠性，这样包的余项也就能被正确地解释。包标识符的校验字段通过对包类型字段的二进制的求反码产生的。如果4 个PID检验位不是它们的各自的包标识符位的补，则说明存在PID错。图 2.1 PID格式主机和所有功能部件都必须对得到全部PID字段实行完整的译码。任何收到包标识符，如果含有失败的校验字段，或者经译码得到未定义的值，则该包标识符被假定是被损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略（Ignore）。如果一个功能部件（Function）收到了包含了它所不支持的事务类型或方向的合法包标识符，则不必应答。例如，只能输入的端口（IN-only Endpoint）必须忽略输出标记（Token）。表 2.2列出了包标识符类型，编码及其描述。表 2.2 PID类型描述PID类型PID名PID3:0说明令牌包OUT0001B通知设备将要输出数据IN1001B通知设备将要输入数据SOF0101B通知设备这是一个帧起始符SETUP1101B通知设备将要开始一个控制传输数据包DATA00011B不同类的数据包DATA11011BDATA20111BMDATA1111B握手包ACK0010B确认NAK1010B不确认STALL1110B挂起NYET0110B未准备好包结束符EOP，对于高速设备和全速/低速设备也是不一样的。全速/低速设备的EOP是D+和D-同时保持大约两个数据位宽度的低电平。对于高速设备则是故意位填充错误来表示。2.2.5 USB的描述符及其之间的关系USB是一个总线，只提供了一个传输通道，具体的一个设备实现什么功能，由设备自己决定的。而USB设备的描述符即是对USB设备属性的说明。标准的USB设备有5种USB描述符，分别是设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符。一个USB设备有且只有一个设备描述符。设备描述符决定该设备有多少配置，每一个配置都有一个配置描述符；而每一个配置描述符又定义了该配置的接口数，每一个接口都有一个接口描述符；在接口描述符又定义了该接口有多少个端点，每个端点都有一个端点描述符；端点描述符定义了端点的大小、类型等。因此它们的关系是一种层次行的结构。这5个描述符的信息如下：l 设备描述符：设备所使用的USB协议版本号、设备类型、端点0的最大包大小、厂商ID（VID）和产品ID（PID）、设备版本号、厂商字符串索引、产品字符串索引、设备序列号索引、可能的配置数等；l 配置描述符：配置所包含的接口数、配置的编号、供电方式、是否支持远程唤醒、电流需求量等；l 接口描述符：接口的编号、接口的端点数、接口所使用的类、子类、协议等；l 端点描述：端点号及方向、端点的传输类型、最大包长度、查询间隔时间等；l 字符串描述符：提供一些方便人们阅读的信息、它不是必需的。2.2.6 USB的传输类型虽然USB定义了数据在总线传输的基本单位是包，但是不能随意地使用包来传输数据，必须按照一定的关系将包组织成事务才能传输数据。USB协议规定了4种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。其中，批量传输、中断传输、同步传输每传输一次数据都是一个事务；控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能是多个事务。l 控制传输：主要用于主机把命令传给设备及设备把状态返回给主机。任何一个USB设备都必须支持一个与控制传输类型相对应的端点0；l 中断传输：用来至此那些偶然需要少量的数据通信，但服务时间受到限制的设备。中断传输常常用于键盘、鼠标、游戏手柄上；l 批量传输：用来传输大量数据而没有周期和传输速率的设备上。批量传输方式并不能保证传输的速率，但可以保证传输的可靠性，当出现错误时会要求发送方重发；l 同步传输：同步传输要求一个恒定的速率。同步传输方式的发送和接收都必须保证传输速率的匹配，否则会造成数据的丢失。2.3 LPC1700系列微处理器第3章 总体方案设计3.1 总体方案设计USB针式打印机基本工作原理：打印机通过USB串行通信总线接收到PC机发送的打印控制命令、字符打印命令和图形打印命令，这些命令经过微控制器进行处理解码并实现相应的功能。同时控制器从字库芯片中寻找到相应的字符字形编码的首地址，并按照顺序一列一列地找出字符或图形的编码，并将该编码送到打印头驱动控制电路，控制打印头内打印针伸缩冲击双层复写纸，即可在打印纸上打印出相应的字符、汉字或图形。在打印过程中，产生行间距和字间距，一行印完后，启动输纸步进电机，带动打印胶棍和打印纸走纸一行。系统还添加了打印头位置检测和探测器缺纸检测电路，以及人机交互设备。USB针式打印机的整体原理框图如图3.1所示。图3.1 系统原理框图3.2 TFT液晶屏系统采用了TFT208E-8液晶屏，该模块采用2.2英寸的TFT液晶屏，内置HX8347液晶控制器，分辨率为240*320，最大色彩262K，该液晶屏支持并行接口、串行接口及RGB接口，可以通过BS0、BS1、BS2引脚的电平状态选择接口模式。第4章 系统硬件设计4.1 核心板工作外围器件打印机控制系统选用LPC1700系列的LPC1766芯片做为微控制器，它的CPU操作时钟频率高达100MHz，要想使芯片稳定工作，必备的外围电路是不可缺少的。4.1.1 复位电路复位信号分上电复位与手动复位，由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压等特性导致噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能，时钟源的稳定性、电源监控等诸多方面也提出了更高的要求，特别是复位信号的纹波，当复位信号有效时间超过60uS,时，系统将进行复位操作。在LPC1766的核心板上用了专用的微处理器电源监控芯片CAT811S（S系统的复位电压为2.93V）以提高系统的可靠性，必免由于电源电压不稳定，或者手动复位时抖动过大引起多次重复复位操作。如图 4.1所示，复位信号nRST连接到LPC1766的复位脚（低电平复位）。图 4.1 复位电路RST是手动复位信号，J_nRST是来自JTAG的复位信号，用于下载程序时对芯片进行复位，有效的手动复位信号或者JTAG复位信号都将导致SYS_RST输出低电平，SYS_RST接到CAT811S的芯片手动复位引脚nMR端，当有复位信号出现时输出nRST保持140mS的有效电平直接接到LPC1766的复位引脚。4.1.2 时钟电路LPC1766是基于Cortex-M3内核的芯片，它包含3个独立的时钟源，分别是主振荡器、内部RC振荡器和RTC振荡器，每个振荡器可根据不同应用要求选择使用。复位时，芯片会选择内部RC振荡器作为系统的时钟源，这使得系统能在没有外部晶振的情况下运行，用户可以通过软件方式修改具体使用哪个时钟源。内部RC振荡器可用于看门狗定时器，也可作为锁相环的时钟源，但是RC振荡器的精度达不到USB接口的时间基准精度，因此在使用LPC1766时必须使用精度更高的外部晶体振荡器作为系统时钟源。外部晶体振荡器又称主振荡器，可作为CPU的时钟源，主振荡器工作在1MHz25MHz，可以通过锁相环倍频达到100MHz,在系统中系统12MHz的外部晶体振荡器通过锁相环8倍频后，使CPU工作在96MHz。在振荡器中还接入了一个RTC振荡器，频率为32.768KHz，可产生精度为1mS的时钟源，1mS的时钟源是没有误差的，具体时钟源接法如图 4.2所示。图 4.2 外部晶体振荡器4.1.3 JTAG接口电路4.2 电源电路设计4.2.1 系统用电分析4.2.2 电源电路选型1 24V电源电路2 5V电源电路3 3.3V电源电路4.3 USB接口电路设计1 USB电缆2 USB接口的电气特性4.4 打印机芯电路设计4.4.1 主位置检测4.4.2 缺纸检测4.4.3 黑标检测4.4.4 托架步进电机驱动1 托架步进电机特性2 托架步进电机驱动电路4.4.5 走纸步进电机驱动1 走纸步进电机特性2 走纸步进电机驱动电路4.4.6 打印头保护与驱动电路1 打印头保护电路2 打印头驱动电路4.5 TFT液晶显示电路设计4.6 字库芯片电路设计第5章 系统软件设计5.1 上位机软件设计上位机软件使用的是VC+6.0编写的，在整个上位机软件中采用多线程的工作方式来对打印机进行发送数据，同时接收打印机的打印状态。其主线程的工作流程如图 5.1所示图 5.1 上位机主线程流程图5.2 USB通信协议5.2.1 USB枚举过程要使主机识别一个USB设备必须经过一个枚举过程，主机使用总线枚举来识别和管理必要的设备状态变化，总线枚举过程如下：(1) 设备连接。USB设备接入USB总线。(2) 设备上电。USB设备可以使用USB总线供电，也可以使用外部电源供电。(3) 主机检测到设备，发出复位信号。设备连接到总线后，主机通过检测设备在总线上的上拉电阻检测到有新的设备连接，并获悉该设备是全速还是低速设备，然后主机向该端口发送一个复位信号。(4) 设备缺省状态。设备要从总线上接收到一个复位的信号后才可以对总线的处理操作作出响应。设备接收到复位信号后就使用缺省地址（00H）来对其进行寻址。(5) 地址分配。当主机接收到有设备地缺省地址（00H）的响应时，就对设备分配一个空闲的地址，设备以后就只对该地址进行响应。(6) 读取USB设备描述符。主机读取USB设备描述符，确认USB设备的属性。(7) 设备配置。主机依照读取的USB设备描述符来进行配置，如果设备所需的USB资源得以满足，就发送配置命令给USB设备，表示配置完毕。(8) 挂起。为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3ms以后，设备驱动程序就会进入挂起状态，在挂起状态时，设备的消耗电流不超过500A。当被挂起时，USB设备保留了包括其地址和配置信息在内的所有内部状态。完成以上的几个步骤后，USB设备就可以使用了。在枚举过程中，设备不一定要求进入挂起状态。5.2.2 ZLG/USB Device软件包ZLG/USB Device软件包是一个移植性强、易维护的软件包，该软件包综合考虑USB协议和LPC1700系列Cortex-M3 USB设备控制器硬件的特点。表 5.1所示为LPC1700系列ARM USB设备固件程序分层结构表。表 5.1 USB设备固件程序分层结构表