基于ARM Cortex 微控制器的便携式无线票据打印机设计

马利芳

（淮安市妇幼保健院审计科，江苏淮安 223002）

医院停车便携式无线票据打印机由手持收费系统和便携式蓝牙打印机组成，在出现交通拥堵的情况下，工作人员能通过手持票据打印结算后发放通行，减少排队等候的时间。打印机通过可充电锂电池提供电量，采用带蓝牙模块的便携式打印票据的收费机适用于40 列（89 mm 穿孔卷纸）的票据打印。基于这种便携和无线的使用场景要求，采用ARM Cortex 微控制器设计的电源逆变下动态负载要求稳定，并满足低功耗和长待机性的标准，以达到户外使用的高性能要求[1]。

1 电路设计

ARM Cortex 微控制器的核最高以150 MHz 运行，具有512 kB 的闪存和64 kB 的低功耗SRAM，并集唤醒中断控制器（WIC）、嵌套向量中断控制器（NVIC）和存储器保护装置于一体。该控制器配有先进的外围设备，如以太网、USB 主机/OTG/设备、CAN、I2S、快速模式Plus(Fm+) I2C、12 位ADC、电机控制PWM、正交编码器接口等[2-5]。该设计采用拓扑结构，控制芯片选用Cortex-M3。ARM Cortex 微控制器具有嵌入式扩展应用性，且易于开发，整体特征表现在低功耗、增强校正功能和更高模块集成度支持方面，在便携式无线票据打印机的设计中表现出色[6]。

1.1 电路架构

设计拟采用蓝牙打印机硬件集成化的体系结构及微型芯片控制各个模块集成化的工作架构。核心芯片采用的是ARM Cortex 微型控制芯片。该打印机设备配置蓝牙联接功能，USB 能实现两种形式的数据连接，可以进行无线和有线打印，USB 接口还可以用作打印机字库下载，也是打印机进入设置界面的端口[7]。打印机面板上设计有4 个指示灯和2 个按钮，指示灯分别是开机指示灯、充电指示灯、蓝牙连接状态灯和故障指示灯，而按钮设计在指示灯下方，分别为On/Off 联机按钮和走纸按钮。

电源管理部分是该打印机的核心，影响着打印机的运行是否稳定及其效率，其是由DC 9 V～DC 24 V逆变电源电路与开/关机电路、内置锂电池充电控制电路组成的。该打印机还配备了蜂鸣器，当按下On/Off按钮时，蜂鸣器会“滴”地长鸣一声，以示操作成功；另外，若电池出现欠压或打印机出现故障时，机器也会发出蜂鸣警告声。针对电量的合成器，使用AD 以捕获电量是否不足，当估计电量不足时，开机指示灯会从绿色变为闪变的红色警报，以提示机器要充电了。该打印机头使用通用的STAR 针作为打印头，既经济又实用。驱动电路包括读取器、移动读取器和进纸步进电机驱动电路。图1 显示了便携式无线票据打印机的电路原理图[8]。

图1 便携式无线票据打印机的电路原理图

1.2 硬件电路设计

1.2.1 开/关机电路

打印机采用触感式LCD 交互屏幕，其运行电路如图2 所示。按键S1 为On/Off 按钮，Vbat为输入电源（即内置锂电池），经V201 场效应管处理后再进行逆变控制输出电压Vout，而通用命令源模块PWR_Ctl 对接微控器ARM 的输出端，相应的PWR_State 对接微控器ARM 的输入端。

图2 打印机运行电路图

整体集成电路的开机启动原理：待机状态→按压S1 的On/Off 按钮→D204 晶体二极管激振→电阻R207产生压降→V201 的VGS 电压（Vbat=0.7 V）→V201逆变导通→端口Vout进行供电→激活微控芯片→PWR_Ctl 进行高位电平输出→Q203 场效管作用→S1 的On/Off 按钮松开→电阻R207仍为压降状态→V201 保持导通→开机成功[9]。

关机原理：开机状态→按压S1 的On/Off 按钮→微控制芯片会经PWR_State 从高位到低位电平检测→PWR_Ctl 进行低位电平输出→Q203 场效管断开→打印机关闭。该设计为了避免误按操作，让微控芯片检测S1 的状态，需要持续按压几秒（如1～3 s）才能起作用。另外，针对给内置电池充电电路的设计：外部适配器的正极充电输入接至Charge_in 处，电路设置在打印机关机状态下，若有外部适配器接入充电时，微控制芯片会启亮充电指示灯为“红色”，当充电完成后指示灯会呈“绿色”状态[10]。

1.2.2 打印头驱动电路

出于经济性和实用性的考虑，该便携式无线票据打印机的打印头配置为日本STAR Corporation 打印头，其为9 针点阵、双向、40 列票据(89 mm 穿孔卷纸)针式打印。该打印头驱动电路主要包括以下三部分：针头电路、直流微电机电路、步进伺服电机进纸电路[11]。运动方式以接合电路并进行逐点打印模式为主，而打印机驱动芯片与电机驱动形成互锁来进行控制，整体电路简单、实用，图3 为设计的打印头驱动电路图[12]。

图3 打印头驱动电路图

由图3可知，打印机驱动芯片控制点Carriage_Ctl在进行作用时输出高电平，从而驱动Q104 接通，相继Q105、Q106 接通，而场效管Q107 停止，电机正相输出直流电源，从而驱动打印机工作。若当打印机驱动芯片控制点Carriage_Ctl 在进行作用时输出低电平，则Q104 为切断状态，相继Q105、Q106 均断开，这时直流电机断电。基于直流电机断电后惯性产生电流，从而驱动Q107，当Q107 用作直流电机的发电负载时，由于负载较大，直流电机的惯性电阻增加，迫使电机即时停止，从而Q107 起到了即时制动作用[13]。

1.2.3 打印机的无线通信设计

该便携式打印机的无线通信部分使用蓝牙通信芯片ROK 101 007，该芯片符合无线通信蓝牙技术指标，该ROK 101 007 是爱立信公司生产的一款专业蓝牙通信芯片，它在短距离内能实现无线通信，支持USB、UART 和PCM 三通连接类型。该设计使用UART 与主机ARM 连接，芯片分为收发数据端和数据流控制端两部分，如图4 所示。该蓝牙通信芯片还支持蓝牙语音和数据传输，因此具有与主机连接性能稳定、集成度高、耗能低、安全可靠的特点[14]。

图4 连接蓝牙模块接口图示

2 打印机性能与通信

基于ARM Cortex 微控制器的便携式无线票据打印机整机配置的性能如表1 所示。

表1 打印机配置的性能

综上可知，按下启动按钮电机通电后，电机开始和安装在同一轴上的小发电机一起转动。假设4 个针头A、B、C、D 的初始位置在最左处，则电机转动后，发电机通过同步信号输出，向外发送一个信号源，其主信号如图5 所示[15]。

图5 打印信号图

由于图5 中的正弦波信号是发电机通过同步信号输出形成的，与正弦波位于同一方波中心的方波脉冲是经过外围电路处理后由正弦信号发送给ARM 的信号体，而较低的Tn系列方波脉冲由用户根据输入的信号进行处理而来。实际的打印机要打印一行则会产生168 个Tn系列方波脉冲，其中前96 个Tn系列方波脉冲对应96 行，最后72 个方波脉冲在打印线中返回最右端，便打印形成一行字符[16-17]。

3 软件设计

由于无线打印机在户外移动环境下使用，任何外部干扰都有可能影响其使用，因此对蓝牙数据传输的稳定性有特殊要求，确保每张发票都能被可靠打印。打印机与终端之间的数据传输建立握手协议，要在打印前确保数据传输完整，在成功确定蓝牙通信正常连接后握手，打印机继续对数据进行数据校验后，将重新发送打印数据，防止数据丢失导致打印错误。若接收到打印错误信号，则终止打印，打印票据流程图如图6 所示。

图6 打印票据流程图

4 电路测试

为验证该打印机的稳定性，测量中输入直流电压18 V、20 V、24 V，用于其动态负载特性仿真实验。其中，电子负载设置为Io1=0.1～6.0 A；T=500 μs；Sr=200 mA/μs。在此情况下模拟该便携式无线票据打印机欠电或极限载荷下的动态跳变情况，相当于打印机在打印空白（全收针时）和打印黑块（全下针时）的工作状态，其结果数据如表2 所示。

表2 动态负载特性测试数据

当负载最大程度跳变时，表示开关电源的输出电压也能稳定在24 V±290 mV 范围内。另外该开关电源在待机状态下的功率小于0.5 W，而进行整机打印时为1.2 W，达到便携针式票据打印机一级能效要求。

5 结论

基于ARM Cortex 微控制器的便携式无线票据打印机，整体结构合理，功能完善，打印效率高，而且该便携式无线票据打印机在逆变高跳变的动态负载情况下依然能够输出稳定的直流电压，且在待机时具有较低的功耗，有一定的现实意义和较好的经济效益。ARM Cortex 微控制器适用于嵌入式应用，具有高集成水平以及系统增强功能，具有丰富的内部拓展资料和齐全的系列产品，其为后续的扩展无线充电等研究带来了很大的空间，其不用增加其他外围扩展电路就能实现智能化、物联化，减少了开发工作量并缩短了开发周期，得到了越来越广泛的应用。