基于LPC1766的以太网热敏打印机

刘佐濂，何清平

(广州大学 物理与电子工程学院，广东 广州 510006)



基于LPC1766的以太网热敏打印机

刘佐濂，何清平

(广州大学 物理与电子工程学院，广东 广州 510006)

摘要：采用NXP公司的LPC1766作为控制核心，结合以太网接口电路、打印机控制电路、PC软件等构成一个热敏网络打印装置。该装置嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系统、TCP/IP协议、μC/GUI图形界面，并利用μC/OS-Ⅱ实现了多任务操作。对装置的硬件电路进行了详细的论述，对软件架构进行了说明，装置采用100 M的以太网作通信，实现了打印机在局域网内共享。

关键词：LPC1766微控制器；以太网；热敏打印机

热敏微型打印机具有噪声低、速度快、可靠性高、打印汉字清晰等优点。目前已经在POS终端系统、银行系统、医疗仪器等领域得到广泛的应用。工业以太网作为一种新兴的控制网络技术，已经在工业控制系统的管理层和控制层得到广泛应用，并有向下延伸到现场设备层的趋势。目前网络打印主要用于办公领域，在工业和商业领域应用极其广泛的热敏微型打印机几乎看不到网络打印接口，因此研究设计具有网络功能的热敏微型打印机具有重要的意义。

1热敏微型打印机总体硬件结构

热敏打印机的主要任务包括数据传输和实时打印控制。在数据传输方面，热敏打印机通过以太网接口从计算机获取打印信息和返回自身的状态信息。在打印控制方面，热敏打印机根据打印信息执行命令或控制打印头进行打印，同时还要控制加热时间和打印纸的精确定位，实时性要求非常高。本系统要设计的热敏打印机要求能够接收以太网传输进来的打印信息，并进行热敏打印。系统既有实时的通讯任务，又有实时的打印任务[1]。因此本系统采用LPC1766(Cortex-M3内核)为微控制器。该控制器的频率高达100 MHz，并拥有512 KB的Flash、64 KB的SRAM、10/100 M Ethernet MAC以及SPI、SSP等优越的性能，可以满足本系统的所有要求[2]。以LPC1766为核心的控制器结合以太网接口电路、打印机控制电路、人机界面电路(液晶显示电路、按键电路、报警电路)、电源电路构成整机系统。整机系统结构如图1所示。

图1　热敏打印机系统结构图

1.1以太网接口电路

要实现以太网通讯，首先要构建以太网的硬件电路，主要包括以太网的链路层(MAC)、物理层(PHY)、网络变压器以及网络接口的构建。LPC1766已包含一个功能齐全的10/100 Mbps以太网链路层(MAC)。所以只需要一个物理层(PHY)芯片和一个网络变压器与之配合使用。LPC1766内部的以太网链路层(MAC)提供了MII(媒体独立接口)和RMII(简化的MII)两种接口。在本设计中选择了KSZ8041NL作为物理层(PHY)芯片。KSZ8041NL的发送信号(TX+、TX-)和接收信号(RX+、RX-)两组引脚与网络接口(RJ-45)相连接；XI、XO是晶振输入；INTRP是中断输出口；LED0、LED1是网络连接指示灯和网络活动状态指示灯；其它引脚是MII接口和RMII接口的控制线，可选择一种接口模式与LPC1766以太网控制器MAC相连接。本设计使用RMII接口模式。LPC1766与KSZ8041NL的连接电路如图2所示。从PHY芯片输出的信号不能直接接到网络接口(RJ-45)上，必须使用一个网络变压器作隔离，在本系统中，使用了HR601680网络变压器。

图2　LPC1766与KSZ8041NL连接电路图

1.2打印机控制电路

打印机控制电路主要包括打印机的驱动电路、走纸步进电机驱动电路、过热保护电路、缺纸检测电路、滚筒打开检测电路。

1.2.1打印机驱动电路

本热敏打印机驱动控制信号主要由CLK、DI、/LAT、STB12、STB34控制，可以由处理器的I/O端口控制。因为LPC1766处理器I/O端口输出的是3.3 V，打印机控制信号线输出的是5 V，所以两边的电压需要匹配。本系统使用74LVC4245作3.3 V到5 V的电压转换，并且达到了打印机控制电路与LPC1766控制器有一定的隔离作用。打印机驱动电路如图3所示。

图3　打印机的驱动电路

1.2.2走纸步进电机驱动电路

打印机的另一个重要的电路是走纸步进电机的驱动电路。LT2321HSPE型号的热敏打印机的步进电机供电电压是24 V，本系统采用了步进电机控制芯片A3967LSB来实现对步进电机的控制。该芯片最高输入电压为30 V，最高输出电流为780 mA，输入的逻辑电压为5 V，刚好适合本系统。该芯片外部电路简单，控制也很方便，只要2条控制信号线STEP和ENABLE就可以对步进电机进行控制。

1.2.3过热保护电路

热敏打印头的温度不能过高，否则就会烧坏打印头，因此还要设计一个保护热敏打印头的硬件电路。热敏打印机上有一个测量打印头温度的热敏电阻Rt，根据打印机数据手册的说明，当打印头的温度超过60 ℃时，就必须停止打印，直到打印头的温度降到40 ℃时，才可以重新打印。

1.2.4缺纸检测电路

LT2321HSPE型号的热敏打印机提供缺纸检测功能。打印机的纸检测传感器是一对反射性的光电传感器。当有纸时，发光二极管的光线经过纸反射到光电传感器上，此时光电传感器呈导通状态，输出0.2 V的低电平；当无纸时，光电传感器不导通，输出3.2 V的高电平。

1.2.5滚筒打开检测电路

LT2321HSPE热敏打印机也提供滚筒打开检测的功能。滚筒打开检测传感器其实就相当于一个开关，当滚筒打开时，传感器开关打开，此时输出0.1 V的低电平；当滚筒关闭时，传感器开关闭合，此时输出3.2 V的高电平。

1.3人机界面电路

一个好的人机界面需要视觉、听觉、触觉互相给合。美观的图形液晶、功能齐全的键盘以及清晰的声音。系统的人机界面电路包括了三部分：液晶显示电路、按键电路、报警电路。在系统中，使用了液晶屏TFT208E作显示器，使用了轻触按键作输入键盘，使用了蜂鸣器作为报警输出。系统的人机界面电路如图4所示。

图4　人机界面电路

2热敏微型打印机总体软件结构

整个系统软件结构如图5所示，主要包括四大程序模块，分别是：底层驱动程序模块，实时内核模块，中间件模块，应用层模块。

图5　系统整体软件结构

2.1底层驱动程序模块

底层驱动程序模块包含以太网驱动、打印头驱动、GUI驱动。以太网驱动向下控制LPC1766片内MAC，向上为LwIP协议栈提供网络接口初始化、数据包收发等接口函数。打印头驱动向下控制实际的打印头，向上为打印线程提供控制接口函数。GUI驱动向下控制TFT屏和按键模块，向上则为μC/GUI图形库提供接口函数。

2.2实时内核模块

实时内核模块即μC/OS实时内核。内核管理整个系统，实现多任务机制，同时提供任务间的同步与通信机制来协调应用层任务之间，以及任务与中断处理程序的关系。

2.3中间件模块

包含LwIP协议栈和μC/GUI图形库。LwIP协议栈为系统提供TCP/IP通信功能，μC/GUI图形库提供了优美的图形界面，用于显示打印机的状态信息。

2.4应用层模块

包含三个线程，分别为队列管理线程、协议处理线程、打印线程。这三个任务相互协调，并通过中间件和底层驱动函数完成系统的打印功能。

3总结

本文根据热敏打印系统的原理、特点，提出了以高性价比的LPC1766为主控芯片的以太网微型热敏打印驱动及系统的设计方案，结合热敏打印头和主控芯片的特点，设计了热敏打印头与主控芯片之间的硬件驱动电路，具体主要包括：打印机的驱动电路、步进电机的驱动电路、过热保护电路、缺纸检测电路、滚筒打开检测电路。完成了热敏打印机系统软件的设计，包括打印的软件驱动、液晶显示的软件驱动、以太网通信的软件驱动、字库芯片的软件驱动等，对各个硬件和软件模块进行调试，协调各个模块之间的功能，最终完成了微型热敏打印系统的设计。

参考文献

[1]张冬宇.基于以太网通讯的热敏微型打印机的设计[D].福州：福州大学,2006,7:23-24.

[2]周立功.深入浅出Cortex-M3—LPC1700(上册)[M].广州致远电子有限公司，2009,6:112-115.

[3]周立功.深入浅出Cortex-M3—LPC1700(下册)[M].广州致远电子有限公司，2009,6:273-275.

[4]孙静，朱继萍.嵌入式以太网通讯模块的设计[J].西安文理学院学报，2007,10(4):70-73.

[5]健翔.微型热敏打印机热敏打印头的驱动控制及保护[J].企业技术开发,2009,28(7):10-12.

[6]张会生.基于77E58的高速行式热敏打印机控制板研制[J].电子技术应用,2004(1):37-40.

The Ethernet Thermal Printer Based on the LPC1766

Liu Zuolian, He Qingping

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,GuangzhouUniversity,GuangzhouGuangdong501006,China)

Abstract:The Ethernet thermal printer is built with Ethernet interface circuit, printer control circuit and the PC software etc which uses the NXP company LPC1766 as the control core. The μC/OS-Ⅱ operation system, TCP/IP protocol, and μC/GUI graphical interface are embedded in the device, and the system uses μC/OS-Ⅱ to achieve a multi-task operation. The paper discusses the hardware circuit and illustrates the software architecture. The device adopts the 100M Ethernet communication to achieve the printer sharing in the LAN.

Key words:LPC1766MCU; Ethernet; thermal printer

收稿日期：2016-02-16

作者简介：刘佐濂(1970- )，男，广东增城人，高级实验师，主要研究方向：电路系统，精密光电检测。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0014- 03

中图分类号：TP334.8

文献标识码：A