热敏打印机设计解决方案

热敏打印机设计解决方案Developplan of thermal printer Author：ShangHai C&W 瞿江洪第一篇 综述摘要：介绍热敏打印机的工作原理，组成结构。论述驱动板的硬件和软件的组成，介绍设计过程中注意事项，并提出解决的方案。关键词：热敏打印机、二相八拍、步进电机、模块化、任务调度、实时处理引言：热敏打印机是一种常规的票据打印设备，它具有体积小、重量轻、打印点密集清晰以及低噪声的特点。热敏打印机广泛用于实验室、售卖设备等领域。热敏打印机是集软硬件于一体的嵌入式实时处理系统。热敏打印机系统架构热敏打印机由硬件平台和驱动软件两部分构成。按照功能性的组成分为以下几个功能单元：步进电机、打印点数据通讯、发热单元控制、传感器信号单元、钱箱控制、通讯接口、键盘、指示灯组、字库、非易失性数据单元、可操作的外部扩展数据空间、复位电路，供电回路、外部震荡、核心处理单元等。设计依据GB/T 15425-2002 UCC/EAN128 bar code EAN.UCC系统 128条码GB/T 12904-2003 商品条码IEEE 1284-1995 计算机并口术语、定义和缩略语Abbreviation DescriptionADC Analog-to-Digital ConverterMCU Micro control unitDTR Data Terminal ReadyDTX Discontinuous TransmissionEMCElectromagnetic CompatibilityESD Electrostatic DischargeI/O Input/OutputIC Integrated CircuitLED Light Emitting DiodePCB Printed Circuit BoardRx Receive DirectionTX Transmit DirectionUARTUniversal Asynchronous Receiver & TransmitterFTFast pulse testS/NSerial numberCITNew CellFQANew Cell第二篇 总体性能产品性能概况1）工作频率：24Mhz2）工作电压：DC912V / 2000mA3）静态耗流：50mA4）打印纸宽：57.50.5mm5) 有效打印宽度：48mm6) 打印速度：50mm/s7) 走纸速度：70mm/s8) 可靠性：100万行9）打印纸规格：TF50KS-E、AF50KS-E、F5041C 纸宽：57.50.5mm 外径：50mm 内径：13mm 纸厚：6070m,5360g/m2接口性能1）电源接口 ：PSII-LPS接口2）25pin 标准并口 / 串口 通讯接口3）14pin JTAG接口4）RJ11-6pin 接口5）26pin 打印机芯转接口6）1*2键盘和双LED指示灯显示接口环境性能Normal operation: -00C to +50CNormal operation humidity: 2085%Storage temperature -20C to +60CStorage humidity: 595%Weight: circa 1.0 KGSize: 143.8(W) 96.5(D) 1.6(H) mm 主要应用方向和工作流程微型热敏打印机作为一种常规的票据打印设备，广泛应用于售卖系统、试验室以及非存根型单据系统中。第三篇 硬件总体硬件总体架构TPM100的总体和应用架构如下图示：硬件总体框架图 TPM100硬件总体方案为psd32* + cs51414 + l6219r + x4043 + lm393 + max202 + 25p80 + sn74ahc123 + sn74ahc74 + sn74ahc001g + sn74ahc05pw + lm7806 + sn74hc573。TPM100硬件由通讯、电源、微控制器、功率电路、打印数据管理、字库管理以及键盘和指示灯等几部分构成。电源电源部分提供了3组不同电平的输出：7.4V、5V、3.3V。输入电源为912V。7.4V作为功率部分的供电电源；5V作为逻辑部分的主电源；而3.3V则作为外扩字库的供电电源。通讯TPM100可支持标准并口和RS-232串口通讯方式，在出厂时就需要进行相关设置，确定通讯方式。通讯部分作为与外部的信息交互单元由硬件电路通讯电路和通讯缓冲两个部分构成。标准并口：数据总线宽度8bits，控制总线4bits ，占用一个外部中断源。电路由MCU、sn74ahc74、sn74ahc05pw、sn74hc573、sn74ahc001g构成。RS-232串口：由两根数据线TXD、RXD，两根应答线DTR、DSR组成，占用一个UART中断源。电路由max202和MCU的通用端口和串口构成。通讯缓冲：采用MCU自带的SRAM空间。通讯方式的选择：用一个跳帽选择对应的通讯方式。功率电路TPM100的功率电路有两个部分，即发热单元和步进电机。它们都采用7.4V的供电电源。发热单元：其功率控制部分由热敏打印头内部集成，在TPM100设计过程中仅仅需要给打印头提供7.4V电源和相关的逻辑控制线。为了保护发热单元不受到损坏，设计过程中需要考虑硬件保护的问题，硬件保护电路由sn74ahc123和mcu的一个通用i/o构成。步进电机：通过步进电机驱动芯片将逻辑信号转换成功率信号驱动步进电机。电路由l6219r和mcu的6个通用i/o组成，送出一组2相8拍的功率信号。打印数据管理打印数据管理分为两个部分：打印数据缓冲管理和打印数据的发送。打印数据缓冲管理：在MCU自带的SRAM空间开辟一个空间作为打印缓冲。打印数据的发送：占用MCU三个通用i/o，模拟串口发送数据致打印头。字库管理TPM100的字库包括三个部分：标准汉字字库、内部西文字库（产家设定的西文字库）和自定义字库。标准汉字字库采用spi外扩方式存放在外部flash memory 25p80中，采用3.3V供电。内部字库存放在程序空间。自定义字库存放在MCU自带的SRAM空间，可自定义数量为96个（12*24点阵）。键盘和指示灯支持两个按键和一个可控制指示灯以及一个电源指示灯（5v），按键占用一个外部中断源和一个通用i/o，可控制指示灯占用一个通用i/o。指示灯状态及说明：序号指示灯状态说明1亮在线2灭离线3闪烁告警按键说明：键盘由SEL在线控制按键和LF走纸按键构成，在线方式下，按下SEL进入离线方式，在这个状态下，TPM100不接受下传数据，按下LF可走纸，松开即停止。再按SEL可恢复在线方式。按住SEL，然后接通电源，可进入自检模式。微控制器TPM100采用psd32*作为微控制器，协调各个功能单元的工作。硬件单元功能描述及接口要求通讯部分通讯部分由串口通讯和并口通讯构成（注：两种通讯方式不能共存并由出产设置决定采用定制通讯方式）。TPM100的串口通讯部分采用RS232IE标准串口电器规范，共一组数据线（RXD/TXD），一组应答线(DSR/DTR)；TPM100的并口通讯部分采用兼容pacsz1284并口通讯规范，数据宽度8bits，控制总线宽度4bits。外接部分外接部分由键盘和LED指示灯两部分构成；键盘有两个按键：SEL和LF按键。SEL为在线控制线，LF为走纸键。LED指示灯一为电源指示灯，一为状态指示灯。打印机芯控制部分打印机芯控制分为三个部分：步进电机控制、发热单元控制以及传感器信号的处理。当前采用打印机芯内置步进电机是一个两相八拍的电机，对应的在设计过程中也需要采用两相八拍的电机驱动芯片，根据电机性能设定输出电流不超过350mA。步进电机控制芯片控制信号说明：字库管理部分打印机的字库由西文字库和标准汉字字库组成。西文字库分为两块：打印机默认的西文字库和开放给用户的用户自定义字库空间，用户可以通过指令定义自己需要的西文字符。汉字字库作为标准字库，不允许做修改，字库存放在25p80的flash memory中，通过标准SPI接口进行数据交互。电源管理系统需要三组电源：3.3V/5V/7.4V，其中，3.3V为字库供电电源；5V为逻辑电路供电电源；7.4V为功率电路供电电源。主要器件的原理和性能指标略连接器PIN脚定义硬件测试点设计调试用测试点TPM100在设计中需要留出方便实验室软、硬件调试和测试的测试点。包括串并口、JTAG以及一些重要的时钟线和控制线。生产测试点模块在生产线进行生产测试时，夹具上的探针通常会连到电源、串并口、按键、SPI/I2C接口，复位信号等等。这些测试点在设计的初期就要考虑留出，既要考虑测试的方便又要考虑测试点位置对外观、贴标识等的影响，并且测试点的位置要固定不变。应用所需测试点基本上，TPM100不会对客户直接开放，所有的维修和应用设计都将在公司完成，所以，应用测试点在此不作考虑。软件设计计划项目软件设计的需求分析热敏打印机需要支持以下功能：l 支持通用指令集l 支持标准并口或RS-232串口（只能选择其一）l 支持富士通384点宽打印头l 支持条码CODE128国标打印l 支持西文12*24点阵打印l 支持中文GB2312 24点阵打印l 支持自动换行打印l 支持自检功能l 支持中、西文混合打印串并口的pin脚定义请参照硬件篇软件系统的驱动开发略调试和测试接口的设计软件开发的风险分析这个项目的最大问题也是我们一直知道而没有解决的问题，目前对富士通的这款打印机芯的技术材料是残缺的，尤其是控制方面的说明，几乎是没有，所以，所有的控制方式和相关的保护都需要我们通过试验的方式去获得，这样将造成两个问题：一是开发周期不可限定；二也是最严重的，可能导致系统无法稳定工作或者系统无法工作在最佳状态。项目的主体架构沿用微型针式打印机的软件架构，所有这个方面的问题不大。软件开发需要着重关注两个问题：可靠性设计和可测试性设计。可靠性设计热敏打印机是一个实时的多任务系统，它要求任务即时处理，同时某些任务之间又有固定的逻辑或者先后关系。热敏打印机的以下任务是不允许同时进行的，否则将会发生危险。可测试性设计为了便于测试并寻找bug ，在软件的设计过程中采用模块化设计，并对一些关键设备开放专用的测试接口。在任务管理中建立完整的任务状态以及缓冲状态标志管理制度，并建立相应得测试接口，便于在任何时候观测任务或者缓冲的工作状态。第五篇 结构和工艺结构设计结构的可靠性设计系统采用单向插入连接器，避免由于连接器接入方向错误导致的危险。热设计散热片与机壳的保护钢板连接，增加散热面积。整机的外观颜色TPM100的PCB为绿色、j8连接器为乳白色、其余连接器为黑色。整机的外观造型TPM100为一款依照目前常规热敏打印机外壳设计的模块，模块上留有6个定位孔（圆孔6mm），方便用户固定模块。整机的外形尺寸（长X宽X高）；143.8(W) 96.5(D) 1.6(H) mm可附机械尺寸图（略）；整机的结构形式屏蔽框连接方式连接器共有三个对外连接器接口：DB25通讯接口、12v电源接口以及RJ11钱箱接口。通讯连接器是一个25pin的DB直插卧式连接器，TPM100用的是母座，电缆端用的是公头。连接器结构图如下：12v电源用的是一个3pin仿PSII直插卧式连接器，TPM100用的是母座，电缆端用的是公头。连接器结构图如下：钱箱接口用的是标准6pin RJ-11连接器。连接器结构图如下：需要注意生产和包装、运输对公座的影响。16.6.2.2 固定方式TPM100板上留了6个定位孔（圆孔6mm），对应着常规打印机外壳的螺栓位置，方便用户将TPM100板紧固在机壳上。整机的屏蔽方式、接地与防静电方法。 TPM100的定位孔连到了系统的主地，用户可以通过紧固螺栓、螺母来达到模块与机壳的大面积接地，从而达到较好的屏蔽效果和防静电的效果。工艺设计PCBPCB板厂在生产PCB时需要在各层工艺边加上铜箔，增强整板的刚性；PCB板在出货前板厂应至少烤板1小时，防止PCB在包装之前受潮。PCB板平整度要求为0.5%；拼版图需要仔细标明各尺寸，同时留的光学定位点不能影响生产贴片。第六篇 测试研发测试软件功能测试TPM100的软件功能测试由软件工程师和软件测试工程师完成。软件工程师偏向开发性和功能性测试，软件测试工程师做功能确认测试，每个正式的软件版本都需要经过软件测试工程师的测试确认、发布、归档至质量部后方能批量生产。软件测试方案TPM100作为标准单元，软件测试时参照标准单板的测试案例和测试规范。软件测试实际上包括两大部分：功能测试和性能测试。功能测试主要是进行独立的单元、指令或者是打印数据测试，它的重点在于系统是否能够实现需求。性能测试则是偏重于整体功能的测试，如：连续工作能力测试、不同指令之间的逻辑测试、不同任务间的逻辑测试等等，它强调测试的非常规化，测试条件也偏向于边界点的测试。功能测试这部分工程师可以直接对照用户使用手册进行测试，在这里不作冗述。18.1.3 性能测试18.2 硬件功能测试TPM100的硬件功能测试由硬件工程师和硬件测试工程完成。硬件工程师需要注重开发性、功能性、探索性、可靠性和稳定性调试和测试，硬件测试工程师需要参照模块硬件测试规范，对模块进行完整的硬件测试，同时每个正式软件版本发布之前均需要硬件测试工程师进行测试确认。TPM100的硬件测试内容如下：l 电源纹波检测：7.4v/5v/3.3v，分为上电波形检测、静态工作电压检测、动态工作电压检测（需要着重检测打印工作时的电压状态）要求纹波不超过5%；l I2C通讯波形检测以及通讯效果检测；l 钱箱控制信号波形检测以及实际控制效果检测；l 通讯检测；l 传感器信号检测；l 步进电机检测（波形校验以及负载测试）；l 发热单元与打印点数据传输检测（波形校验以及负载测试）；l 检测键盘（实际上就两个按键，串口通讯方式采用返回键值方式，并口通讯采用指示方式）硬件功能测试操作步骤如下：首先是做不带负载的测试（标准的试验步骤在这里不作冗述，硬件工程师都应该了解）1. 确认取消负载；2. 连接电源，上电，监测电源情况；3. 通过并口或者串口发送进入硬件测试模式指令（参考硬件测试指令表）；4. 如果是串口通讯方式，通过串口返回测试名利字；如果是并口方式，如果接受正确指示灯送出一组两短一长的信号，否则无动作；5. 发送I2C通讯波形检测指令，通过示波器观测波形，对照资料是否符合要求，以下的测试，凡需要监测波形的均采用示波器观测；如果操作正确，在串口通讯方式下，将从串口接受到“”，否则是“”；并口方式下，正确为匀速闪烁六次，否则为常亮；6. 发送钱箱控制信号波形检测指令，观测输入波形是否符合设计预期；7. 发送传感器信号检测指令；8. 发送步进电机检测指令，比较输入输出关系以及输出波形是否达到要求；9. 发送发热单元与打印点数据传输检测指令，观测波形是否符合设计期望；10. 发送键盘测试指令，然后手动操作，观测输入波形是否符合设计预期，如果是串口通讯，通过串口返回按键值；11. 发送跳出测试模式指令；注意：对应的进入测试项目命令就有对应的退出命令。做负载测试1. 确认连接负载；2. 连接电源，上电，监测电源情况；3. 通过并口或者串口发送进入硬件测试模式指令（参考硬件测试指令表）；4. 发送钱箱控制信号波形检测指令，观测钱箱实际动作是否符合要求；5. 发送传感器信号检测指令，稍描两处传感器，并手动修改输入量，观测是否能够得到正确的传感器反馈（仅限于串口通讯）；6. 发送步进电机检测指令；观测是否有失步，是否有尖啸（注意观测波形是否满足打印机芯控制需要）；7. 发送发热单元与打印点数据传输检测指令，观测实际打印出来的效果（同时监测和电源，看是否有明显的波动，如果有，那么需要改进存电回路）；8. 发送跳出测试模式指令；硬件测试指令表如下：生产测试生产测试是设计制造的重要部分，随着零部件的小型化、产品的日渐复杂和上市时间的缩短，测试问题越来越复杂，电路板功能的扩大使得组装级别的评估及现场维护成为组装工艺过程中的重要问题。TPM100在出货之前需要在生产线进行完整的生产测试。19.1 测试成本计算测试成本可以宽泛的定义为：（导致测试开销的因素）/（测试的器件数量）=测试成本19.2 生产测试流程TPM100SMT贴片完成之后，写S/N号、FT、FQA抽测等。单板所需接口和测试点 TPM100在做生产测试时，需要用到打印机芯接口（26pin连接器），相关测试点要连接到测试夹具（包括电源、地、temp、并/串口、debug点等）。同时还要增加功能性测试，测试、键盘、LED、GPIO、ADC等接口。19.4 生产测试软件TPM100的生产测试软件包括multi-down、写S/N号程序、Calibration 程序、FT程序、功能性测试程序等。FQA抽测时进行测试。19.5 生产测试附件19.5.1 夹具TPM100在DL、BT、FT三站均需要使用夹具，其他站使用测试版。19.5.2 其他附件生产TPM100的其他附件包括PC、电源、并/串口线等，同时在写S/N号还要用到条码枪。TPM100需要在定型之前完成CE测试，并取得相关报告和证书。1.1 CE测试CE测试内容如下：安全实验：1.工作电压2.故障试验3.撞击实验4.震动实验5.冲击试验6.电气间隙、爬电距离和绝缘穿透距离7.插头实验8.保护连接导体电阻9.外部导线接线端子10.电源线应力消除试验11.电气连接和固定试验12.漏电试验13.可接触性试验14.能量危险检查15.限制电源试验16.安全连锁装置试验17.印刷电路板试验18.电源保护套19.封装和密封零件检验20.抗外力试验 21.建筑内（上）电气设备22.电击试验23.介电强度试验24.标签检查和试验25.辐射试验26.发热试验27.SELV测试28.TNV测试29.限流电路试验30.过载试验31.手动装置试验32.电池防爆试验33.溢出试验34.可燃实验35.防火试验36.黏合剂试验37.维卡试验38.防水试验 电磁兼容实验： 1.传导干扰电压2.辐射场强3.干扰功率4.天线端子干扰电话5.谐波电流6.波动电压7.射频干扰电压8.低频磁场9.高频磁场10.连续干扰 11.静电12.瞬变脉冲13.射频连续波14.连续波传导干扰15.工聘磁场16.脉冲17.电源电压