开题报告基于LPC1300的USB针式穿孔打印机.docx
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开题报告基于LPC1300的USB针式穿孔打印机
开题报告
目录
1.项目概述1
1.1项目背景1
1.2整体功能1
2.技术指标2
2.1微型针式打印机芯特性2
3.方案论证3
3.1总体方案设计3
3.2打印机芯选择3
3.3系统控制器选择4
3.3.1方案比较4
3.3.2控制器简介4
3.3.3USB设备控制器特性5
3.4数据通信方案选择5
3.4.1通信方式选择5
3.4.2USB传输类型选择6
3.4.3USB设备类选择7
3.5串行外设接口（SPI）7
3.5.1SPI总线概述7
3.5.2模拟SPI接口8
3.5.3硬件SPI接口8
3.5.4方案选择8
3.6脉冲宽度调制器（PWM）8
3.6.1PWM概述8
3.6.2模拟PWM9
3.6.3硬件PWM9
3.6.4方案选择9
4.进度安排10
5.参考资料11
1.项目概述
1.1项目背景
微型打印机作为特种打印机系列的一个重要组成部分，目前的市场需求日渐成熟，而且未来市场的潜力巨大。
微型针式打印机以其结构简单、维护方便，成本低等优点占据工业及商用领域打印机市场主导地位。
针式打印机，一般是指矩阵针式打印机。
这种打印机主要是由打印头、字车结构、色带、输纸机构和控制电路组成。
由于大规模集成电路的发展，使打印机中也出现了基于微处理器控制的系统。
这样，打印机上所有的机械上的复杂动作、字符的形成等都可以经过微处理器进行存储记忆、控制和操作。
打印头是针式打印机的核心部件，它包括打印针、电磁铁等。
这些钢针在纵向排成单列或双列构成打印头，某列钢针在电磁铁的带动下，先打击色带，色带后面是同步旋转的打印纸，从而打印出字符点阵，而整个字符就是由数根钢针打印出来的点拼凑而成的。
微型针式打印机是随着计算机技术、控制技术发展而出现的一种集电子技术、计算机技术、自动化技术于一体的高新技术产品。
1.2整体功能
如图1.1为整体系统示意图，采用USB串行总线进行数据传输，预计实现以下功能：
●基本功能：
通过USB实现上位机与下位机通信，下位机处理数据并打印；
●扩展功能：
添加打印机ESC/POS协议并实现图片和条形码等打印功能。
图1.1系统示意图
2.技术指标
2.1微型针式打印机芯特性
SMP130是一款微型针式打印机。
该打印机支持7×9或7×7（ASCII码）点打印，集成检测纸张有无传感器，具有使用寿命长、控制简单等优点。
其总体规格说明书如表2.1所示。
表2.1打印机规格说明
项目
规格
点阵间距
水平
0.2953mm
垂直
0.3528mm
字体类型
ASCII
分辨率
172DPI×72DPI
打印字体
7×9
7×7
打印总字数
40（2个空格）
40（2个空格）
字体大小（mm）
1.18×3.12
1.18×2.42
字间距（mm）
1.33
1.33
行间距（mm）
4.233
4.233
本项目使用SMP130微型打印头进行字体打印，不仅实现ASCII打印功能，而且增加16×16点阵汉字打印功能，字体大小按打印头规格进行设定，如图2.1所示。
该打印机可打印76.2mm宽度、0.05-0.08mm厚度的纸张。
图2.1打印字体尺寸
3.方案论证
3.1总体方案设计
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，如果采用一个普通的单片机，资源会比较紧张，不仅实现困难，结构复杂，而且可能达不到预期的效果。
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系统结构，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系统框图
3.2打印机芯选择
目前市场上打印机的主要类型有针式打印机、热敏打印机、激光打印机和喷墨打印机。
激光打印机和喷墨打印机机构复杂，成本高，且主要用于办公自动化领域。
针式打印机和热敏打印机以其结构简单，成本低等特点占据微型打印机市场的主导地位。
针式打印机的主要优点有：
●结构简单，维护方便；
●成本低；
●打印纸便宜。
针式打印机的主要缺点有：
●打印速度慢；
●噪声大。
热敏打印机的主要优点有：
●打印速度较快；
●没有噪声。
热敏打印机的主要缺点有：
●需要专用的打印纸；
●打印数据不能长期保存。
不同的打印机根据优缺点不同可以应用到不同场合。
本项目采用针式打印机芯，制作微型针式打印机，实现字符和汉字打印功能。
3.3系统控制器选择
3.3.1方案比较
与传统的单片机系统相比，采用LPC1300系列ARMCortex-M3高性能处理器设计使系统可靠性比较高。
传统的单片机系统要完成打印控制和通信功能，将使整个系统非常复杂，实时性较差，CPU负担较重，影响系统的总体性能。
而Cortex-M3是基于ARM体系结构v7版本的ARM核。
该内核采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线核数据总线，具有带分支预测功能的3级流水线，先进的中断处理能力，带睡眠模式，同时具有1.25MIPS/MHz的处理速度，而且功耗仅为0.19mW/MHz，由此可见LPC1300系列ARMCortex-M3高性能处理器可以满足打印机数据处理能力。
更重要的是LPC1300系列ARMCortex-M3高性能处理器内部带有一个USB设备控制器，不需要像普通单片机那样外部扩展USB设备控制器。
这也是提高系统稳定的一个重要方面。
3.3.2控制器简介
LPC1300系列ARMCortex-M3的外设组件包括32KB的Flash存储器、8KB的数据存储器和USBDevice接口等。
LPC1300系列ARMCortex-M3内部带有一个USB设备控制器，该控制器支持10个物理端点，并完全兼容USB2.0全速规范。
LPC1300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。
USB设备控制器中端点缓冲区与USB模拟收发器的通信是通过串行接口引擎完成，该引擎完成USB的大部分协议：
同步模式识别、并行/串行转换、位填充/解除位填充、CRC校验/产生等功能，并对USB总线收到的数据流进行译码，将译码后的数据写入相应的端点缓冲区存储器EPRAM中，也可以对EPRAM中的数据进行封装，发送到USB总线上。
每个端点缓冲区有一个FIFO类型的SRAM，这个SRAM是专用的，称作EPRAM。
每个端点在EPRAM中保留一段空间。
EPRAM总体空间是固定的，但每个端点可以自动调整空间大小。
CPU可通过寄存器接口控制USB设备控制器的运行、写入数据到USB设备控制器中或从USB控制器中读取数据。
如图3.2所示，为USB设备控制器结构框图。
图3.2USB设备控制器结构框图
3.3.3USB设备控制器特性
●完全兼容USB2.0全速规范；
●支持10个物理（5个逻辑）端点；
●支持控制、批量、中断和同步端点；
●支持SoftConnect特性；
●实现了一个批量端点和一个同步端点的双缓冲。
3.4数据通信方案选择
3.4.1通信方式选择
目前微型打印机通常有两种接口：
并行接口和串行接口。
并行接口有SPP（标准并口）、EPP（增强型并行接口）和ECP（扩展功能并行接口）三种标准，其中EPP和ECP传输速度较快，采用双向端口，SPP是一种单向端口，但是是一种标准并行端口，目前任何打印机都支持此接口标准，该类型接口的打印机一般有8位数据线和3根基本的应答控制线：
/STB、Busy、/ACK。
/STB为选通信号，由PC及各种电子设备发出，把数据线上的打印数据存入打印机的接收缓冲区；Busy表示打印机是否忙信号，为1时表示忙，不可以接收打印数据，为0时表示空闲，可以接收打印数据，/ACK是打印机完成一次数据接收后的回答信号，表示数据已经被接收而且已经准备好接收下一个数据。
串行接口与RS-232C标准兼容，采用硬件握手，使用2根数据输入输出线和1根应答控制线：
RXD、TXD、CTS，如采用软件握手，只需要RXD和TXD。
上述两种接口不能满足当今计算机外部设备高速度和高通用性的要求。
为了满足用户的这一需求，以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）总线协议，专用于低、中速的计算机外设。
目前，USB端口已成为了微机主板的标准端口；而在不久的将来，所有的微机外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏柄等等，都将通过USB与主机相连。
这种连接较以往普通并口和串口的连接而言，主要的优点是速度高、功耗低、支持即插即用（Plug&Play）和使用维护方便。
表3.1把USB和其他常用计算机接口进行了比较。
通过比较可以发现外设使用USB连接计算机具有巨大的优势。
表3.1常用计算机接口的性能对比（典型值）
接口类型
数据格式
传输速度/（b/s）
最大设备数/个
电缆长度/m
是否支持热插拔
USB
串行
1.5M、12M、480M
126
—
是
RS232
串行
20K
2
15—30
否
续上表
接口类型
数据格式
传输速度/（b/s）
最大设备数/个
电缆长度/m
是否支持热插拔
RS485
串行
10M
32
1200
否
IEEE-1394
串行
400M、3.2G
63
4.5
是
以太网
串行
10M、100M、1G
1024
500
否
并行端口
并行
8M
2或8
3—9
否
ISA
并行
128M
—
—
否
EISA
并行
266M
—
—
否
PCI
并行
1056M、2112M
—
—
否
AGP
并行
2112M
—
—
否
3.4.2USB传输类型选择
不同的USB设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据的大小、传输速率的高低、需要同步传输或突发传输等。
根据这些要求，USB定义了4种传输类型：
控制传输，批量传输、中断传输和同步传输。
批量传输适用于传输大量的且对传输时间和传输速率均无要求的数据。
当USB总线带宽紧张时，它会为其它传输类型让出自己所占用的帧/小帧时间，而其本身将被延时，这使批量传输的传输速率很低，占用的传输时间也很长；当USB总线空闲时，它会以很快的速率传输，其传输时间也很短。
所以块传输可以传输大量数据而不会堵塞USB总线，但其传输时间和传输速率却得不到保证。
另外，它还采用差错控制和重试机制来确保数据传输的正确性。
总的来说，批量传输特别适合于打印机和扫描仪这类设备，因为在它们看来，数据无错误的发送和接收远比其传输速率重要。
中断传输适用于传输少量或中量的、且对服务周期有要求的数据。
USB为中断传输保留了总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不是一直使用准确的传输速率。
另外，USB还采用差错控制和重试机制来确保中断传输的正确性。
总的来说，中断传输特别适合于键盘、鼠标类设备，因为对它们来讲，所需处理的事件只是键盘的按下、鼠标的点击和移动，其数据量很少，而且用户不希望在使用键盘和鼠标时出现明显的延时，这意味着需要固定的服务周期。
同步传输适用于传输大量的速率恒定的、且对服务周期有要求的数据。
USB为同步传输保留了总线带宽，以保证其能在每帧/小帧中都能得到服务。
即同步传输一直使用准确的传输速率，因此其传输时间也是可以预测的。
另外，为确保数据传输的及时性，同步传输没有采用差错控制和重试机制，即不能保证每次传输都是成功的。
总的来说同步传输特别适合于音频和视频类设备，如CD播放机、扬声器等，因为在它们看来数据被及时发送和接收远比其正确性重要。
控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求、但必须保证传输的数据。
USB为控制传输保留了总线带宽，且主机USB系统软件可以为它动态的调整其所需的帧/小帧时间，以确保其能够被尽快传输。
另外，USB还采用差错控制和重试机制来保证控制数据传输的正确性。
控制传输主要用于发送和接收与USB设备的配置信息有关的数据，如设备地址、配置描述符等。
但它也可用于传输其它用途的数据。
表3.2归纳了它们四种传输类型的特点。
表3.2USB4种传输类型的比较
传输类型
端点类型
传输方向
所传输数据的特点
批量传输
块端点
IN或OUT
大量无传输时间和传输速率要求
中断传输
中断端点
IN或OUT
少量或中量、有周期性
同步传输
同步端点
IN或OUT
大量、速率恒定、有周期性
控制传输
控制端点
IN或OUT
少量、无传输时间要求、传输有保证
对于打印机来说，需要传输大量数据，并且传输质量要有保障，因此选择批量传输是最适合的。
另外上位机要查询打印机的状态，这种传输具有少量、有周期性的特点，所以也要选择中断传输。
3.4.3USB设备类选择
USB对一些具有相似特点并提供相似功能的USB设备进行抽象，定义它们所特有的属性和使用方法，这些被称为设备类。
现有的设备类主要有：
音频设备类、通信设备类、HID设备类、显示设备类、海量存储设备类、打印设备类、集线器设备类等。
开发一个USB设备要首先确定它的设备类。
下文将对比HID设别类、打印机设备类、自定义设备类的特点，确定本系统应具有的设备类。
HID设备类必须具有一个控制端点，以完成11种标准USB设备请求和6种HID请求。
另外，HID设备类还必须具有一个中断IN端点，以向主机发送数据。
中断OUT端点是可选择的。
为此HID类设备适用于传输少量或中量数据。
其传输的数据具有突发性，传输的最大速率有限制。
所以不适合打印机这种要求传输大量数据的设备。
本项目是打印机设备，最适合的设备类就是选择打印机设备类，并且这种标准的设备类不需要编写驱动程序。
但当采用这种设备类时，下位机必须要编写识别打印机语言的程序，开发难度比较大。
在时间不够充裕的情况下，本方案只能作为第二方案。
自定义设备类具有很大的灵活性，可以自己定义端口的类型。
自定义设备类可以使用致远电子提供的驱动程序和动态库进行开发，使系统变得非常简单。
综合以上论证，最终选择自定义设备类作为本系统的设备类。
3.5串行外设接口（SPI）
3.5.1SPI总线概述
本项目所用到的字库芯片的数据传输方式是采用行业标准串行外设接口（SPI），由于需要传输大量的数据，所以处理好这个接口是提高打印机打印速度的关键。
SPIrit（SerialPeripheralInterface——串行外设接口）是一种同步串行外设接口，允许MCU与外围设备（例如Flash、RAM、A/D转换器、MCU等）以串行方式通信。
SPI系统一般使用4条线：
串行时钟线SCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SSEL。
基于LPC1300系列ARMCortex-M3主机的SPI总线配置如图3.3所示。
一个SPI总线可以连接多个主机和多个从机，但是在同一时刻只允许有一个主机操作总线。
在数据传输过程中，总线上只能有一个主机和一个从机通信。
在一次数据传输中，主机总是向从机发送一帧数据，而从机也总是向主机发送一帧数据。
SPI总线时钟是由主机产生的。
图3.3SPI总线配置
结合系统主控芯片LPC1343的片内资源，有两种可选方案：
模拟SPI接口、硬件SPI接口。
下文将对两种方案进行简要的分析。
3.5.2模拟SPI接口
系统主控芯片LPC1343通过I/O口模拟SPI接口，此方案可选择任意I/O口，方便了硬件电路的设计，但会增加软件的工作量。
另外使用I/O口模拟SPI，限制了SPI的时钟频率，降低了数据传输速率。
3.5.3硬件SPI接口
系统主控芯片LPC1343有一个硬件SPI接口。
它是一个同步、全双工串行接口，可配置为主机或从机，最大数据位速率是时钟速率的1/8。
可灵活配置数据长度、时钟相位极性等。
3.5.4方案选择
如表3.3所示，模拟SPI接口，技术实现复杂，数据传输速率低。
硬件SPI接口的位速率高，技术实现简单。
表3.3串行外设接口（SPI）
方案
技术实现
速率
模拟SPI接口
复杂
慢
硬件SPI接口
简单
快
控制器与字库芯片通信时需要传输大量数据，要求有尽量高的速率，所以为了保证设计需要选择使用硬件SPI接口。
3.6脉冲宽度调制器（PWM）
3.6.1PWM概述
本项目中打印头采用直流电机驱动，输纸采用步进电机驱动。
直流电机和步进电机需要用PWM脉冲来控制。
直流电机和步进电机的控制精度和速度决定着打印机的打印质量和打印速度，因此要慎重选择控制方式。
PWM是基于标准的定时器模块并继承了定时器的所有特性，LPC1300系列ARMCortex-M3将PWM输出到引脚，它可以对外设时钟进行计数，可选产生中断。
PWM功能是一个附加特性，建立在匹配寄存器的基础之上。
PWM可以控制下降沿位置的特性使得它可以用于更多的应用中。
例如电机控制。
结合系统主控芯片LPC1343的片内资源，有两种可选方案：
模拟PWM、硬件PWM。
下文将对两种方案进行简要的分析
3.6.2模拟PWM
系统主控芯片LPC1343通过I/O口模拟PWM，此方案可选择任意I/O口，方便了硬件电路的设计，但软件上会增加少许工作量。
另外使用I/O口模拟PWM限制了PWM的最高频率，但是因为I/O口操作方便，所以控制非常灵活，更容易控制脉冲个数和上升沿或下降沿位置。
3.6.3硬件PWM
系统主控芯片LPC1343有多个硬件PWM。
基于16位或32位定时器，可多路同时输出PWM，最高频率高，但该主控芯片的PWM只支持单边控制，同时控制上升沿和下降沿时极为不便，精确控制脉冲个数时同样极为不便，还要额外再增加一个定时器的使用。
在程序的总体使用中增加了额外的开销。
3.6.4方案选择
模拟PWM频率低，但易于控制，能精确控制脉冲个数，软件实现简单灵活。
硬件PWM频率高，但由于单边控制对于上升沿和下降沿位置的控制难于实现，不能实现精确控制脉冲个数。
在直流电机控制中，电机转动速度快，模拟PWM不能满足快速性的要求，采用硬件PWM可满足要求。
在步进电机的控制中，电机可转动速度低，但要求极高的精度。
因此必须精确控制电机的驱动脉冲个数和相位关系，为满足步进电机的精度要求需要选择模拟PWM。
4.进度安排
本项目计划九周内完成，每周计划进度如表4.1所示。
表4.1计划进度表
时间
任务
第一周（3月01日至3月7日）
了解微型针式打印机原理，学习主控制器LPC1343和USB2.0原理与应用
第二周（3月08日至3月14日）
学习编写USB固件程序和上位机程序，掌握μCOS操作系统原理
第三周（3月15日至3月21日）
制作打印头驱动电路，编写打印头和步进电机驱动程序，打印汉字
第四周（3月22日至3月28日）
添加打印图片功能，添加打印机ESC/POS协议
第五周（3月29日至4月4日）
总体电路板制作，联机调试
第六周（3月5日至4月11日）
总体调试
第七周（4月12日至4月18日）
完善、补充
第八周（4月19日至4月25日）
撰写论文，制作PPT
第九周（4月26日至4月30日）
准备答辩
5.参考资料
[1]周立功，等．ARM嵌入式系统基础教程．北京：
北京航空航天大学出版社，2005
[2]JeanJ．Labrosse．嵌入式实时操作系统μCOS-II（第2版）．邵贝贝等，译．北京：
北京航空航天大学出版社，2003
[3]李英伟，等．USB2.0原理与工程开发（第二版）．北京：
国防工业出版社，2007
[4]周立功，等．深入浅出Cortex-M3——LPC1700．广州：
广州致远电子有限公司，2009
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