便攜針式打印機的電路設(shè)計

文/李國育

現(xiàn)階段，便攜式打印機市場主要有噴墨、熱敏、梭式等打印機。其中，便攜式熱敏打印機憑借自身技術(shù)的特點，在體積小巧、打印噪音低、打印速度高等方面有明顯的優(yōu)勢，占據(jù)便攜式打印領(lǐng)域的較大市場份額。隨著國家行業(yè)和商業(yè)打印應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，及移動互聯(lián)、無線支付等應(yīng)用的不斷深入，多聯(lián)打印和防偽發(fā)票、O2O高分辨率的二維碼打印普遍使用。便攜針式打印機不但擁有熱敏打印機打印速度快、打印分辨率高等優(yōu)點，還擁熱敏打印機所沒有的多聯(lián)復(fù)寫打印、打印內(nèi)容保存時間長、使用成本低、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，十分適合這些方面的打印應(yīng)用。

本研究的便攜針式打印機使用6針打印頭，支持USB、藍牙、Wi-Fi等接口，內(nèi)置3000毫安時鋰電池，使用USB 5V和DC 12V充電。產(chǎn)品節(jié)能，待機時間長，打印速度快，擁有多聯(lián)復(fù)寫打印能力，打印內(nèi)容持久保存，可輕松應(yīng)對室內(nèi)、外各種惡劣的使用環(huán)境。硬件設(shè)計將圍繞這些功能特點開展。

1 硬件設(shè)計

便攜針式打印機的硬件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)兩方面組成。

1.1 控制系統(tǒng)方案

針對此便攜針式打印機的特點，采用單MCU控制的方案，4M bytes Flash用于存放中西文字庫、打印機的控制程序及打印機的內(nèi)置參數(shù)，256K bytes SRAM用于打印機工作時的數(shù)據(jù)緩沖和接受緩存，傳感器用于檢測打印機的各種狀態(tài)，詳見圖1。

以下對核心芯片進行選型。

1.1.1 MCU的選用

圖1：硬件結(jié)構(gòu)圖

為在實現(xiàn)控制功能前提下，達到成本最優(yōu)化的目的，主控MCU將使用NXP的LPC1100L。LPC1100L采 用Cortex-M0內(nèi) 核ARM，是性價比低的32位MCU。其ARM性能卓越、簡單易用、功耗低，能顯著降低所有8位/16位應(yīng)用的代碼長度，是開發(fā)小巧、功耗低的電池供電的消費類產(chǎn)品、智能電表、電機控制等理想的解決方案。LPC1100L擁有豐富的接口，如128KB片內(nèi)Flash程序存儲器、8KB片內(nèi)SRAM、一路I2C(FM+)、一路RS-485/EIA-485 UART、兩路SSP、4個通用定時器以及多達54個通用I/O口。

1.1.2 電機的控制與驅(qū)動

步進電機與他的驅(qū)動是一個不可分割的整體?，F(xiàn)階段，步進電機的驅(qū)動方式主要分恒壓驅(qū)動方式和恒流驅(qū)動方式。其中，恒流驅(qū)動方式主要通過集成芯片實現(xiàn)，根據(jù)步進電機線圈繞組的不同，分單極驅(qū)動和雙極驅(qū)動兩種類型。單極驅(qū)動對比雙極驅(qū)動，驅(qū)動管少一倍，相電流流通驅(qū)動管的數(shù)量也減少一倍，因此芯片可便于集成化，芯片的發(fā)熱量較小，可輸出較大的相電流，但步進電機線圈相繞組的利用率比雙極驅(qū)動低。不同驅(qū)動方式在步進電機性能上的差異，不僅體現(xiàn)在輸出力矩的大小及高頻特性上，還體現(xiàn)在電機反應(yīng)速度、消除電機運轉(zhuǎn)過程中的振動、電機在固有共振點附近運行平穩(wěn)性等多方面 。應(yīng)用上，單極驅(qū)動一般用于高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域，而雙極驅(qū)動一般用于低轉(zhuǎn)速領(lǐng)域。但隨著集成電路的不斷發(fā)展，雙極驅(qū)動的弊端逐漸被克服，現(xiàn)階段的大部分步進電機使用雙極恒流驅(qū)動的形式。本便攜針式打印機的電機驅(qū)動主要包括字車電機驅(qū)動和走紙電機驅(qū)動兩部分，具體控制由MCU完成。考慮到打印速度與與成本問題，電機的驅(qū)動使用雙極恒流控制的方式，通過DRV8825芯片驅(qū)動步進馬達動作。

DRV8825是IT公司推出的一款雙極性恒流驅(qū)動芯片，其控制簡單，輸出電流大，最高可實現(xiàn)32微步，帶芯片過熱、過流保護等功能。可廣泛用于各種辦公自動化設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。

只需在DRV8825的管腳STEP輸入脈沖時序信號，即可實現(xiàn)步進電機的速度控制，同時參考管腳AVERF和BVERF的電平大小，自動調(diào)整輸出電流，控制步進電機輸出力矩。電機動作的方式將根據(jù)管腳MODE1、MODE2、MODE3的電平確認微步形式(實現(xiàn)全步到32微步的控制)，根據(jù)管腳DIR確定轉(zhuǎn)動方向。當DRV8825芯片發(fā)熱厲害或輸出電流過大時，會進入自我保護模式，停止電機電流輸出，并將管腳nFAULT輸出低電平。相電流的計算公式為ICHOP=VREF/(5*RISENSE)。

不同驅(qū)動方式在步進電機性能上的差異，不僅體現(xiàn)在輸出力矩的大小及高頻特性上，還體現(xiàn)在電機反應(yīng)速度、消除電機運轉(zhuǎn)過程中的振動、電機在固有共振點附近運行平穩(wěn)性等多方面 。DRV8825控制簡單，可實現(xiàn)微步控制，且?guī)в懈鞣N保護功能，十分適用于步進電機的恒流驅(qū)動方式的應(yīng)用。

1.1.3 打印針的控制與驅(qū)動

打印頭采用單端控制的恒壓驅(qū)動方式，主控MCU控制6片NPN達林頓管（2SD2170）的開關(guān)驅(qū)動打印針出針。這種控制與驅(qū)動方法，有利于以較低的硬件成本實現(xiàn)打印針的控制。

當控制信號為高點平時，三極管導(dǎo)通，打印頭線圈充電，線圈電流隨著導(dǎo)通時間而上升，產(chǎn)生磁力驅(qū)動打印針出針打??；當控制信號為低電平時，三極管截止，打印頭針線圈的反沖電動勢升高，線圈通過內(nèi)線在2SD2170的穩(wěn)壓二極管ZD1向驅(qū)動電源反向放電，反沖電動勢和電流逐漸減小，打印針收針。按此原理，打印針隨著控制信號的電平變化，依次完成出針和收針的動作，實現(xiàn)打印。

1.1.4 通信接口

MCU LPC1100L支持USB 2.0全速接口，因此USB從MCU的USB接口直接引出。

Wi-Fi選 用MT7620A硬件方案。MT7620A是一款SOC芯片，芯片集成了CPU、Baseband、Radio等 功 能。MT7620芯片上路由器包括802.11nMAC和基帶、2.4GHz無線電和FEM、580 MHz MIPS 24K?CPU核心、一個5端口10/100交換機和兩個RGMII。MT 7620包括從單個芯片構(gòu)建AP路由器所需的一切。嵌入式高性能cpu可以毫不費力地處理高級應(yīng)用，如路由、安全和voip。MT 7620還包括支持多種應(yīng)用程序的接口選擇，例如用于訪問外部存儲的usb端口。

藍牙使用雙模藍牙模塊I482E-S。i482e是一款藍牙4.0+EDR雙模模組，支持 2.4GHz ISM band Class 2，內(nèi)置天線，集成了藍牙協(xié)議棧，支持經(jīng)典藍牙和藍牙4.0協(xié)議，支持SPP和GATT，可與安卓手機/平板、iPhone、iPad進行雙向數(shù)據(jù)透傳。集成了i482e的終端產(chǎn)品無需集成蘋果CP IC和過MFi認證。

1.2 電源管理系統(tǒng)

電源管理是硬件系統(tǒng)的核心，包括鋰電池，鋰電保護電路，鋰電充電電路，電源轉(zhuǎn)換電路等。充電電路是電源管理的核心部分，因此對電源模塊的充電電路中的充電芯片進行方案分析和選擇是電源模塊設(shè)計研究的主要內(nèi)容。本便攜針式打印機的打印頭、電機工作電壓為12V，通訊接口的工作電壓為5V，其他MCU、Flash等主要芯片工作電壓為3.3V，電池8.4V充電。對此，電源管理系統(tǒng)將針對不同的充電接口，分開兩路。第一路是USB接口或通用充電器提供5V輸入，升壓至8.4V(可使用AXE公司的AX5523)，然后使用鋰電池專用充電管理芯片(可使用MPS公司的MP2615)對鋰電池進行充電，將鋰電池輸出的7.4V升壓至12V(可使用AXE公司的AX5201)，供打印頭、電機等使用，并通過DC/DC（可使用矽力杰公司的SY8113BADC)和LDO降壓(可使用UTC公司的LD1117AG)，提供5v和3.3v電源給通訊接口和各主要芯片使用；另一路是12VDC直流輸入，給鋰電管理芯片對鋰電池充電，同時直接供電給打印頭、電機等使用，5V和3.3V通過DC/DC和LDO降壓實現(xiàn)。待機時，MCU會進入休眠模式，并關(guān)閉部分芯片的工作實現(xiàn)最低功耗。

2 結(jié)論

本硬件方案通過硬件系統(tǒng)和電源控制系統(tǒng)的有效配合，實現(xiàn)了便攜針式打印機的設(shè)計，滿足了便攜針式打印機低功耗，打印質(zhì)量好，方便攜帶，充電適應(yīng)性強，支持多種接口的無線打印需求，擁有較強的可行性。