USB微型打印机文档格式.docx

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3.4USB接口电路设计6

3.5步进电机驱动电路6

3.5.1步进电机及其驱动原理6

3.5.2步进电机驱动设计7

3.6直流电机驱动电路8

3.7打印针驱动及保护电路8

3.8液晶显示电路8

第4章USB通信协议的实现9

第5章微型打印机软件设计10

参考文献11

附录A12

第1章绪论

1.1引言

第2章微型打印机总体方案

第3章微型打印机硬件设计

3.1总体硬件电路

微型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，微型打印机通过通讯接口从计算机上获取打印信息和返回自身的状态信息；

在打印控制方面，微型打印机根据打印信息执行命令或控制打印头进行打印，同时还要控制打印纸的精确定位，实时性要求非常高。

本系统所设计的微型打印机要求能够接收USB总线上传输来的打印信息，并进行打印控制。

系统既有实时的通讯任务，又有实时的打印任务，所以本项目采用LPC1300系列ARMCortex-M3高性能处理器，构成了以打印头为核心的硬件结构图，如图3.1所示。

LPC1300系列Cortex-M3高性能的处理器不仅可以完成实时打印控制而且可以完成实时通信任务。

图3.1系统硬件框图

3.2电源电路设计

电源电路为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。

如果电源系统处理的好，整个系统的故障会大大的减少。

设计电源的过程其实是一个权衡的过程，必须考虑如下因素：

●输入电压；

●输出电压和电流；

●安全因素；

●输出纹波；

●电磁兼容和电磁干扰；

●体积限制；

●功耗限制；

●成本限制。

本系统首先采用一个开关电源模块把220V交流电压转换为24V直流，供给电机和打印针。

之后的24V到5V的转换电路由于压差比较大，采用开关电源芯片MC34063来降低功耗、提高效率。

系统电源电路如图3.2所示，电源接口P1输入24V直流电压，二极管D1防止电源极性接反，起到保护整个系统的作用。

24V直流电压经过MC34063将电源稳压至5V。

由于LPC1343控制器工作电压为3.3V，这里采用LDO电源芯片CAT6219把5V电源稳压至3.3V。

由于LPC1343具有独立的模拟电源引脚，为了降低噪声，模拟电源和数字电源采用磁珠FB2、FB3进行隔离。

图3.2电源电路

MC34063是一片专用与DC-DC变换控制的集成电路。

片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。

它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

MC34063的主要特点有：

●能在3.0-40V的输入电压下工作；

●短路电流限制；

●低静态电流；

●输出开关电流高达1.5A；

●输出电压可调；

●工作振荡频率100Hz到100KHz可调；

●可构成升压、降压和反向电源变换器。

CAT6219是安森美半导体公司的低压差稳压器，在负载电流和线电压变化期间提供快速响应时间。

CAT6219具有“零”停机电流模式和极低的55μA地电流，是电源电压为2.3V～5.5V电池供电设备的理想选择。

内部欠压锁定电路会在电源电压低于典型值2.15V时禁止输出。

另外，CAT6219还提供1%的初始精度和低压差特性（负载为500mA时压差为300mV）。

并且可以通过一个小的陶瓷电容来实现稳定操作，大大减少了器件的电路板占位面积和元件成本。

CAT6219具有如下特性：

●输出电流500mA；

●负载电流为500mA时典型压差为300mV；

●快速启动特性；

●具有欠压锁定功能；

●在整个温度范围内精度都可达±

2%；

●“零”电流停机模式；

●具有限流和热保护功能。

3.3LPC1343最小系统

3.3.1复位电路

复位是指将计算机系统中的硬件逻辑归为到一个初始的状态，比如让寄存器回复默认值、让处理器从第一条指令开始执行程序等。

复位是计算机系统中一个不可或缺的部件，如果一个计算机系统的复位电路不可靠将带来很多意想不到的麻烦。

由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。

本系统采用专用的复位电路CAT811来提高系统的可靠性，其电路原理如图3.3所示。

图中信号nRST连接到LPC1343芯片的复位引脚上，可实现上电复位和欠压复位。

图3.3复位电路

3.3.2时钟电路

时钟是计算机系统的脉搏，处理器在一拍接一拍的时钟驱动下完成指令执行、状态变换等动作。

外设部件在时钟的驱动下进行着各种工作，比如串口数据的收发、A/D转换、定时器计数等。

LPC1343可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快，（CPU最大操作时钟为72MHz）。

若不使用片内PLL功能，则外部晶振频率为1~30MHz，外部时钟频率为1~50MHz；

若使用片内PLL功能，则外部晶振大小为10~25MHz，外部时钟频率为10~25MHz。

其电路如图3.4所示。

图3.4时钟电路

3.3.3调试接口电路

本系统采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，如图3.5所示为SWD仿真模式的信号定义与LPC1343芯片连接电路。

图3.5调试接口

LPC1300系列Cortex-M3的串行调试和跟踪的功能是ARMCortex-M3内核的一个组成部分。

ARMCortex-M3支持高达8个断点，4个数据观察点。

LPC1300系列ARMCortex-M3调试接口主要特性如下：

●支持串行调试（SWD）模式；

●直接调试所有的存储器寄存器和外设；

●调试单元不需要其它硬件资源；

●支持CPU指令跟踪能力；

●8个断点，4个数据观察点；

●指令跟踪单元可加入软件来控制跟踪。

3.4USB接口电路设计

本系统利用LPC1343内部自带的USB设备控制器与上位机进行数据通信，该USB设备控制器支持10个物理端点，并完全兼容USB2.0全速规范。

LPC1343系列ARMCortex-M3USB设备控制器内部嵌入USB模拟收发器，使芯片管脚USB_D+和USB_D-可直接连接到USB总线上。

电路如图3.6所示，其中MOS管控制USB信号线DP的上拉电阻是否连接，从而实现USB设备软连接功能。

PRT5V0U2X为NXP半导体公司的ESD芯片，它可防止USB端口受到用户或空气放电造成的ESD影响。

图3.6USB接口电路

3.5步进电机驱动电路

3.5.1步进电机及其驱动原理

步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的的数字控制电机，每加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角），控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。

步进电机按机理可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB），从目前看来，一般反应式步进电机应用己不太广泛，混合式步进电机使用于高速、小步距角的应用领域，永磁式步进电机由于结构简单、价格较便宜而得到广泛应用。

步进电机从线圈引线方式可以分为:

单极（UNIPOLAR）性步进电机和双极（BIPOLAR）性步进电机。

其中双极性电机由于磁场的利用率高，因此在同样的条件下可以输出更大的力矩。

同理，在磁性材料相同的条件下要得到相同的力矩，则双极性电机的直径可以更小。

本系统采用的步进电机是2相单极式步进电机，步进角度为7.5°

，线圈电阻83欧，运转电压为24V。

3.5.2步进电机驱动设计

步进电机驱动方式一般可分为：

恒压驱动和恒流驱动。

恒压驱动一般适用于低速运动，电机绕组电阻一般较大，通过的直流电流较小。

恒流驱动一般适用于高速运动，电机的电阻一般较小，通过的直流电流较大。

又由于双极性电机每相绕组的电流为双向流动，其驱动电路复杂，一般采用专用的电机驱动芯片。

而恒压驱动就比较简单，只需控制电机线圈开通与关断即可。

步进电机及其驱动电路的设计必须考虑使得电机能够平稳转动且自身不会发热，经过综合考虑，本系统采用STA471和SFR9034驱动步进电机，电路原理图如图3.7所示。

其中STA471是一个集成四路达林顿管的集成电路，四路输出控制电机的A、B、/A、/B；

MOS管SFR9034控制步进电机线圈的公共端，当电机运转时，MOS管开通步进电机得到24V运转电压；

当电机停止时，MOS管关断，步进电机得到5V的电压，使得电机有一个保持力矩。

MCU控制Step_A1、Step_B1和Step_COM1端，信号经过反相器后控制驱动电路，实现步进电机的双四拍控制。

控制时序图如图3.8所示。

图3.7步进电机驱动电路

图3.8步进电机控制时序

3.6直流电机驱动电路

3.7打印针驱动及保护电路

打印针头的工作电压比较高、电流比较大，当其工作时间过长时很容易损害针头。

为了防止MCU程序跑飞或程序误操作在设计中加入硬件保护电路，如图3.9所示，实现双重保护功能。

图中74HC05是开漏输出的非门，可以实现线与的功能；

74HC573是一个具有三态输出的锁存器。

打印针保护电路主要有触发器和锁存器构成，利用触发器来控制锁存器的使能端，从而限制锁存器有效数据的输出时间，达到保护打印针头的作用。

当触发器不动作时，输入端Head_P为高电平，此时三极管Q3开通，电容C16经过三极管放电，U5D和U5E两个门电路输入分别是0和1，它们的输出经过线与和反相之后使得锁存器的使能端无效，输出高阻，打印针驱动电路由于下拉电阻RP3的作用使得针头线圈断电，停止工作；

当触发器输入端施加一个下降沿脉冲时三极管Q3关断，电容C16开始充电。

当电容两端电压小于2.5V时两个门电路U5D和U5E输入全为0，它们的输出经过线与和反相后使得锁存器使能端有效，锁存器输出有效数据，控制打印针工作。

当电容C16两端电压大于2.5V时使得锁存器使能端再次无效，输出高阻，打印针停止工作。

调节电容器C16的充电时间可以调节打印针的最大工作时间，实现硬件的保护电路。

图3.9打印针驱动及保护电路

3.8检测电路

本系统的传感器主要有一下三种：

缺纸检测传感器、字车位置传感器、光电编码传感器。

缺纸传感器检测打印纸的有无，字车位置传感器检测字车是否回到原始位置，光电编码器检测直流电机的速度和所走的距离。

三个传感器都是由光电对管组成，所以三者的处理电路相同，如图3.10所示。

图中74HC14是具有施密特触发特性的反相器，它可以起到滤除干扰信号的作用。

图3.10检测电路

3.9液晶显示电路

第4章USB通信协议的实现

第5章微型打印机软件设计

参考文献

[1]王传昌．高分子化工的研究对象．天津大学学报，1997，53（3）：

1～7．

[2]李明．物理学.北京：

科学出版社，1977，58～62．

附录A

包括放在正文内过分冗长的公式、以备他人阅读方便所需的辅助性数学工具、重复性的数据图表、论文使用的符号意义、单位缩写、程序全文及有关说明等。